JP2022003798A - Antenna having frequency selective element - Google Patents

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Abstract

To provide a wide range antenna system that can recognize a large number of frequencies.SOLUTION: An antenna 200 includes: a substrate; and a plurality of leg elements 210, 220, and 230 formed on the substrate. The leg elements 210, 220, and 230 are made of conductive ink, and the leg elements 210, 220, and 230 form a continuing route. At least one of the leg elements 210, 220, and 230 is separately selectable or removable to change the resonance frequency of the antenna. The at least selected one of leg elements 210, 220, or 230 form an antenna route length for the resonance frequency. The antenna may be an energy harvester.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

関連出願の相互参照
本出願は、2018年4月3日に出願された、「Antenna with Frequency−Selective Elements」と題する、米国非仮特許出願第15/944,482号に対する優先権を主張する。この文献は、1)2017年4月5日に出願された、「Power Management in Energy Harvesting」と題する、米国仮特許出願第62/481,821号、2)2017年4月7日に出願された、「Dynamic Energy Harvesting Power Architecture」と題する、米国仮特許出願第62/482,806号、及び、3)2017年5月18日に出願された、「Carbon−Based Antenna」と題する、米国仮特許出願第62/508,295号の優先権を主張する。これら文献のすべては、本明細書により、すべての目的のために、参照することにより、組み込まれる。
Cross-reference to related applications This application claims priority to US Non-Provisional Patent Application No. 15 / 944,482, entitled "Antenna with Frequency-Selective Elements," filed April 3, 2018. This document is 1) filed on April 5, 2017, entitled "Power Management in Energy Harvesting," US Provisional Patent Application No. 62 / 481,821, 2) filed on April 7, 2017. Also, US Provisional Patent Application No. 62 / 482,806 entitled "Dynamic Energy Harvesting Power Archive" and 3) US Provisional Patent Application No. 62 / 482,806, filed May 18, 2017, entitled "Carbon-Based Enterna". Claim the priority of patent application No. 62 / 508,295. All of these documents are incorporated herein by reference for all purposes.

データトラッキング及びモバイルコミュニケーションが幅広い様々な製品及び活動に組み込まれるにつれて、無線デバイスが社会の重要な部分となってきている。たとえば、無線認識(RFID)システムが、輸送されている製品、経由地を通る車両、倉庫内または組立てライン上の在庫品、ならびに、動物及び人間でさえあるものなどの対象を、埋め込まれているか着用されているRFID追跡装置を介して、追跡及び識別するために、一般的に使用されている。モノのインターネット(IoT)は、無線デバイスが使用される別の分野である。この分野では、ネットワーク化されたデバイスが、互いに情報を通信するために、ともに接続されている。IoTアプリケーションの実施例には、スマート器具、スマートホーム、ボイス制御されたアシスタント、ウェアラブル技術、ならびに、セキュリティ、エネルギ、及び環境のためのものなどの監視システムが含まれる。 As data tracking and mobile communication are incorporated into a wide variety of products and activities, wireless devices have become an important part of society. For example, is the radio frequency identification (RFID) system embedded in objects such as products being transported, vehicles passing through transit points, inventories in warehouses or on assembly lines, and even animals and humans? It is commonly used for tracking and identification via an RFID tracking device that is worn. The Internet of Things (IoT) is another area where wireless devices are used. In this area, networked devices are connected together to communicate information with each other. Examples of IoT applications include smart devices, smart homes, voice-controlled assistants, wearable technologies, and monitoring systems such as those for security, energy, and the environment.

多くのアプリケーションが、これら無線電子デバイスを非常に小型かつポータブルとすることを必要としており、それにより、デバイスに給電できる方式が制限されることがら、エネルギハーベスティング(EH)がしばしば、デバイスのための追加のエネルギ源として利用される。エネルギハーベスティングは、概略的には、エネルギハーベスティングの構成要素またはデバイスにより、意図的に、自然に、または、副産物もしくは副作用として、エネルギを放射または放出させる、様々なエネルギ源からエネルギを得るプロセスである。採取することができるエネルギのタイプには、他のエネルギの内で、電磁(EM)エネルギ、太陽エネルギ、熱エネルギ、風エネルギ、塩度勾配、及び運動エネルギが含まれる。たとえば、温度勾配が、動作している燃焼機関の周囲の領域に生じる。都会のエリアでは、ラジオ及びテレビの放送のために、大量のEMエネルギが環境内に存在する。エネルギハーベスティングの回路またはデバイスは、このため、これらタイプのエネルギ源からのエネルギレベルが高度に可変性であるか、信頼性のないものである場合があるとしても、これら領域または環境の中、上、または近位に配置して、これらエネルギ源の存在を利用することができる。たとえば、携帯電話、WiFiネットワーク、及びテレビなどのEM源から、無線周波数(RF)エネルギを取得するために、アンテナを使用することができる。エネルギハーベスティングは、電力事業会社により、配電網を通して特定の顧客に提供されるような、専用の、配線によって接続された電力伝達線を通して提供されるエネルギの直接的な供給とは、概して区別される。これらの各々は、エネルギ源に対して追加される電源負荷である。 Many applications require these wireless electronic devices to be very small and portable, which limits the ways in which they can be powered, and energy harvesting (EH) is often due to the device. It is used as an additional energy source for. Energy harvesting is, in general, the process of obtaining energy from a variety of energy sources that radiate or emit energy intentionally, naturally, or as a by-product or side effect, by means of energy harvesting components or devices. Is. Types of energy that can be harvested include electromagnetic (EM) energy, solar energy, thermal energy, wind energy, salt gradient, and kinetic energy, among other energies. For example, a temperature gradient occurs in the area around the operating combustion engine. In urban areas, large amounts of EM energy are present in the environment for radio and television broadcasts. Energy harvesting circuits or devices are therefore in these regions or environments, even if the energy levels from these types of energy sources may be highly variable or unreliable. It can be placed above or proximally to take advantage of the presence of these energy sources. Antennas can be used to obtain radio frequency (RF) energy from EM sources such as mobile phones, WiFi networks, and televisions. Energy harvesting is generally distinguished from the direct supply of energy provided by a utility company through a dedicated, wire-connected power transmission line, such as that provided to a particular customer through the grid. To. Each of these is a power load added to the energy source.

いくつかの状況では、ハーベスティングに利用可能であるエネルギは、背景の、周囲の
、または補足されたエネルギとしても知られている。これらエネルギは、受信デバイスに給電することを目的に、任意の特定の顧客または受信器に伝達することは特に意図されていない。背景または周囲のエネルギの実施例が、多くのタイプの電気デバイスまたは伝達線の、不可避の副作用または副産物として放射される、自然のEM放射である。地面、空気、または衛星のラジオ送信機から放出される無線周波は、対照的に、遠距離通信の目的のための受信機によって使用されることが意図されている場合があるが、その無線周波エネルギ(このエネルギは、EM放射である)は、意図されていないエネルギハーベスティングの目的のために使用することも可能である。これら「故意ではない」状況では、エネルギハーベスティング回路は、単純に、エネルギ源に対する追加の電力付加となることなく、利用可能であれば、いつでも、または、どこでも、周囲のエネルギを取得する。他の状況では、専用の無線EMエネルギトランスミッタを、広く放送されるか、特定方向に発せられるEM放射に提供することができる。ここでは、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスが、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスによる意図的な採取または取得のために存在しているものと知られており、それにより、特定の電気デバイスのための「意図的な」無線電力伝達システムを提供する。しかし、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスの観点から、EMエネルギトランスミッタからの意図的なEM放射は、意図的な状況が、より信頼性のあるエネルギ源に繋がり得ることを除き、周囲の(意図的ではない)エネルギと同じであるか類似である。意図的に伝達されたエネルギと、意図的ではなく伝達されたエネルギとの両方を、エネルギハーベスティングのために使用することができる。
In some situations, the energy available for harvesting is also known as background, ambient, or supplemental energy. These energies are not specifically intended to be transmitted to any particular customer or receiver for the purpose of feeding the receiving device. An example of background or ambient energy is natural EM radiation, which is emitted as an unavoidable side effect or by-product of many types of electrical devices or transmission lines. Radio frequencies emitted from ground, air, or satellite radio transmitters, in contrast, may be intended to be used by receivers for long-distance communication purposes, but that radio frequency. Energy, which is EM radiation, can also be used for unintended energy harvesting purposes. In these "unintentional" situations, the energy harvesting circuit simply obtains ambient energy whenever or wherever available, without additional power added to the energy source. In other situations, a dedicated wireless EM energy transmitter can be provided for EM radiation that is widely broadcast or emitted in a particular direction. Here, an energy harvesting circuit or device is known to exist for intentional harvesting or acquisition by the energy harvesting circuit or device, thereby for a particular electrical device. Provide an "intentional" wireless power transfer system. However, in terms of energy harvesting circuits or devices, intentional EM radiation from EM energy transmitters is surrounding (intentional), except that the intentional situation can lead to a more reliable source of energy. Is not) equal to or similar to energy. Both intentionally transmitted energy and unintentionally transmitted energy can be used for energy harvesting.

採取されたエネルギは、概して、ウェアラブル電子機器及び、無線センサデバイスまたはネットワークのいくつかのタイプで使用されるものなど、小さい、通常は無線の、通常は自律性の、電子回路、構成要素、またはデバイスにより、使用するために取得されるか、将来の使用のために貯蔵される。このため、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスは、通常は、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスに電気的に接続されているか、組み込まれているか、別様に関連付けられている、低エネルギの電子回路または電子デバイスのための、非常にわずかな量の電力を供給する。これらエネルギハーベスティング回路は、EHソースが、デバイス全体のための十分な電力を供給しないか、安定した電力を供給しないことから、通常は、デバイス上のバッテリに対する補助的な電力源である。 The energy collected is generally small, usually wireless, usually autonomous, electronic circuits, components, or those used in wearable electronic devices and some types of wireless sensor devices or networks. Obtained for use by the device or stored for future use. For this reason, energy harvesting circuits or devices are typically low energy electronic circuits or devices that are electrically connected, incorporated, or otherwise associated with energy harvesting circuits or devices. Provides a very small amount of power for electronic devices. These energy harvesting circuits are usually auxiliary power sources for the battery on the device, as the EH source does not provide sufficient power or stable power for the entire device.

アンテナは、エネルギを効率的に収穫するための能力において、重要な役割を果たす。エネルギハーベスティングのためのアンテナ、ならびに、無線デバイス及びIoTデバイスにおける通信のためのアンテナの開発が、サイズを最小にし、効率を向上させ、マルチバンドの周波数を達成し、また、様々なアンテナ材料を研究するために、研究に関係している。アンテナは、モバイルデバイスのためのハウジング内、埋込み式デバイス内、ならびに、スマートカード及びパッケージング上に組み込まれている。RFIDアンテナは、しばしば、小型のはがして張る方式のラベルなどの、パッケージングまたは表示のためのラベルの表面上に添付される。いくつかのアンテナは、シルクスクリーンプリント、フレキソプリント、またはインクジェットプリントなどのプリントによって製造される。銀インクが、導電性構成要素のためにもっとも一般的に使用されるインクであるが、カーボンインク及びポリマベースのインクも使用される。無線デバイスがますます広まっていくにつれて、より効率的で、費用効果の高いアンテナが絶えず必要とされる。 Antennas play an important role in the ability to harvest energy efficiently. The development of antennas for energy harvesting, as well as antennas for communication in wireless and IoT devices, minimizes size, improves efficiency, achieves multiband frequencies, and offers a variety of antenna materials. In order to study, it is related to research. Antennas are embedded in housings for mobile devices, in embedded devices, and on smart cards and packaging. RFID antennas are often attached on the surface of labels for packaging or labeling, such as small peel-off labels. Some antennas are manufactured by printing such as silk screen printing, flexographic printing, or inkjet printing. Silver inks are the most commonly used inks for conductive components, but carbon inks and polymer-based inks are also used. As wireless devices become more widespread, there is a constant need for more efficient and cost-effective antennas.

いくつかの実施形態では、アンテナシステムは、基板と、この基板上のアンテナとを有し、このアンテナは、複数のレッグ要素を有している。複数のレッグ要素は、導電インクを備えており、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の少なくとも1つは、ア
ンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか、除外可能であり、選択されたレッグ要素は、共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する。
In some embodiments, the antenna system has a substrate and an antenna on the substrate, the antenna having a plurality of leg elements. The plurality of leg elements include conductive ink and form a continuous path. At least one of the plurality of leg elements can be individually selected or excluded to change the resonant frequency of the antenna, and the selected leg elements form the antenna path length corresponding to the resonant frequency. do.

いくつかの実施形態では、エネルギハーベスティングシステムは、アンテナシステム及び電子回路を含んでいる。アンテナシステムは、基板と、この基板上のアンテナとを含んでいる。アンテナは、複数のレッグ要素を有しており、この複数のレッグ要素は、カーボンベースの導電インクを備えるとともに、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の各々は、アンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか、除外可能である。選択されたレッグ要素は、共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する。電子回路は、複数のレッグ要素の各々に対する接続部を有しており、ここで、電子回路は、複数のレッグ要素の内の第1のレッグ要素を第2のレッグ要素に対して短絡させることにより、複数のレッグ要素の内の第1のレッグ要素を動的に除外するように構成されている。 In some embodiments, the energy harvesting system includes an antenna system and an electronic circuit. The antenna system includes a substrate and an antenna on the substrate. The antenna has a plurality of leg elements, the plurality of leg elements including carbon-based conductive ink and forming a continuous path. Each of the multiple leg elements can be individually selected or excluded to change the resonant frequency of the antenna. The selected leg elements form the antenna path length corresponding to the resonant frequency. The electronic circuit has a connection to each of the plurality of leg elements, wherein the electronic circuit short-circuits the first leg element of the plurality of leg elements with respect to the second leg element. Is configured to dynamically exclude the first leg element from the plurality of leg elements.

いくつかの実施形態では、アンテナシステムは、基板と、この基板上のアンテナとを含んでいる。アンテナは、複数のレッグ要素を有しており、この複数のレッグ要素は、導電インクを備えるとともに、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の第1のレッグ要素は、受信された周波数と、第1のレッグ要素の第1の電気的インピーダンスとに依存する、第1の共振周波数の閾値を有している。第1の電気的インピーダンスは、透磁率、誘電率、及び導電率からなるグループから選択される材料特性に基づいている。第1のレッグ要素は、アンテナ経路長を変更することにより、アンテナの共振周波数を変更するように、個別に除外可能であり、第1のレッグ要素は、受信された周波数が第1の周波数の閾値より大である場合、アクティブではないようにすることにより、アンテナ経路長から受動的に除外される。 In some embodiments, the antenna system comprises a substrate and an antenna on the substrate. The antenna has a plurality of leg elements, which are provided with conductive ink and form a continuous path. The first leg element of the plurality of leg elements has a first resonance frequency threshold that depends on the received frequency and the first electrical impedance of the first leg element. The first electrical impedance is based on material properties selected from the group consisting of magnetic permeability, dielectric constant, and conductivity. The first leg element can be individually excluded so as to change the resonant frequency of the antenna by changing the antenna path length, and the first leg element has a received frequency of the first frequency. If it is greater than the threshold, it is passively excluded from the antenna path length by making it inactive.

図1A及び図1Bは、当該技術で既知である、アンテナ偏波を示す図である。1A and 1B are diagrams showing antenna polarization known in the art. 図2A及び図2Bは、いくつかの実施形態に係る、周波数選択性要素を有するアンテナの側断面図である。2A and 2B are side sectional views of an antenna having a frequency selectivity element according to some embodiments. 図3A及び図3Bは、いくつかの実施形態に係る、アンテナのレッグ要素を選択または除外するための、材料チューニングの使用を示す側断面図である。3A and 3B are side sectional views illustrating the use of material tuning for selecting or excluding leg elements of an antenna, according to some embodiments. 図4は、いくつかの実施形態に係る、材料チューニングされたレッグ要素を有する、平らな逆Fアンテナの斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of a flat inverted-F antenna with material tuned leg elements, according to some embodiments. 図5は、いくつかの実施形態に係る、デジタルチューニングを伴うレッグ要素を有する、平らな逆Fアンテナの斜視図である。FIG. 5 is a perspective view of a flat inverted-F antenna with leg elements with digital tuning, according to some embodiments. 図6Aから図6Cは、いくつかの実施形態に係る、デジタルチューニングを伴うレッグ要素に関する、アンテナ、及びSパラメータのグラフである。6A-6C are graphs of antennas and S-parameters for leg elements with digital tuning, according to some embodiments. 図7は、いくつかの実施形態に係る、共振周波数のカスタマイズを示すSパラメータのグラフである。FIG. 7 is a graph of S-parameters showing customization of resonance frequency according to some embodiments. 図8Aと図8Bとは、いくつかの実施形態に係る、誘電材料をプリントすることができる、マイクロストリップアンテナの平面図と側断面図とである。8A and 8B are a plan view and a side sectional view of a microstrip antenna capable of printing a dielectric material according to some embodiments. 図9は、いくつかの実施形態に係る、平らな逆Fアンテナ、及び、アンテナのゲイン応答を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing a flat inverted-F antenna and the gain response of the antenna according to some embodiments. 図10は、いくつかの実施形態に係る、波状アンテナ、及び、アンテナのゲイン応答を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a wavy antenna and a gain response of the antenna according to some embodiments. 図11Aから図11Cは、いくつかの実施形態に係る、ボックス上にプリントされた平らなアンテナを示す図である。11A-C. 11C are diagrams showing a flat antenna printed on a box, according to some embodiments. 図12Aと図12Bとは、いくつかの実施形態に係る、3次元基板に組み込まれた、折り曲げられた逆Fアンテナの斜視図と側断面図とである。12A and 12B are a perspective view and a side sectional view of a bent inverted-F antenna incorporated in a three-dimensional substrate according to some embodiments. 図13は、いくつかの実施形態に係る、Lスロットのデュアルバンドの平らな逆Fアンテナの斜視図である。FIG. 13 is a perspective view of an L-slot dual-band flat inverted-F antenna according to some embodiments. 図14は、いくつかの実施形態に係る、プリントされた、曲がった逆Fアンテナの斜視図である。FIG. 14 is a perspective view of a printed, bent inverted-F antenna according to some embodiments. 図15は、いくつかの実施形態に係る、別の平らな逆Fアンテナの斜視図である。FIG. 15 is a perspective view of another flat inverted-F antenna according to some embodiments. 図16は、いくつかの実施形態に係る、矩形の、電磁的に結合されたパッチアンテナの斜視図である。FIG. 16 is a perspective view of a rectangular, electromagnetically coupled patch antenna according to some embodiments. 図17は、いくつかの実施形態に係る、プリントされた、周波数選択性アンテナを製造するためのプロセスの概略図である。FIG. 17 is a schematic diagram of a process for manufacturing a printed, selective antenna according to some embodiments. 図18は、いくつかの実施形態に係る、プリントされた、周波数選択性アンテナシステムを製造するための方法のフローチャートである。FIG. 18 is a flow chart of a method for manufacturing a printed, selective antenna system according to some embodiments. 図19は、当該技術で既知である、様々な紙基板上にプリントされた導電材料に関する電気抵抗のグラフである。FIG. 19 is a graph of electrical resistance for conductive materials printed on various paper substrates known in the art. 図20は、いくつかの実施形態に係る、周波数選択性アンテナレッグ要素を選択及び除外するための電子回路のブロック図である。FIG. 20 is a block diagram of an electronic circuit for selecting and excluding frequency-selective antenna leg elements according to some embodiments. 図21は、いくつかの実施形態に係る、様々なアンテナ構成に関する周波数応答のグラフである。FIG. 21 is a graph of frequency response for various antenna configurations according to some embodiments.

本開示は、複数のレッグ要素を有する、プリントアンテナを記載している。このアンテナでは、所望の周波数に関してアクティブとなるように、レッグ要素が、個別に選択可能であるか除外可能である。アンテナの様々な部分を利用することにより、アンテナの経路長、すなわち、アクティブである所与のアンテナパターンの部分を、特定の周波数に関するエネルギが採取されるように、調整することができる。すなわち、本アンテナは、動的に変更可能である共振周波数を有し、このアンテナでは、アンテナ要素が、経路長を変更するように、入れられるか外されるように切り替えられる。本アンテナシステムは、多くの周波数を認知することができる広帯域アンテナとして動作する。このアンテナでは、システムが、どの周波数がもっとも優勢な電力源であるかを見出し、受信する電力を最大にするために、アンテナシステムの構成要素及び要素を変更する。 The present disclosure describes a printed antenna with multiple leg elements. In this antenna, leg elements can be individually selected or excluded so that they are active for the desired frequency. By utilizing different parts of the antenna, the path length of the antenna, i.e., the part of a given antenna pattern that is active, can be adjusted to capture energy for a particular frequency. That is, the antenna has a dynamically changeable resonant frequency, in which the antenna element is switched in and out to change the path length. This antenna system operates as a wideband antenna capable of recognizing many frequencies. In this antenna, the system finds out which frequency is the predominant source of power and modifies the components and elements of the antenna system to maximize the power received.

いくつかの実施形態では、レッグ要素の選択は、特定の電気的インピーダンスを有するように、各レッグ要素をチューニングすることによって受動的に生じる。この特定の電気的インピーダンスは、ある共振周波数閾値に繋がり、この閾値より上では、レッグ要素は、もはや応答しない。電気的インピーダンスのチューニングは、異なる電磁的浸透性、誘電率、及び/または導電率を有するインクを使用するなど、レッグ要素を印刷するために使用される材料を調整することによって達成することができる。レッグ要素を製造するために使用される材料のタイプは、アンテナの周波数応答特性に影響するようにも、変化させることができる。アンテナがある周波数を受信すると、レッグ要素は、受信した周波数が、その特定のレッグ要素の共振周波数の閾値より下である場合にアクティブとなり、受信した周波数が閾値より上である場合、アクティブではなくなる。こうして、所与の時点におけるアクティブなレッグ要素の総経路長が、アンテナの全体の共振周波数を変化させる。 In some embodiments, the selection of leg elements occurs passively by tuning each leg element to have a particular electrical impedance. This particular electrical impedance leads to a resonant frequency threshold above which the leg element no longer responds. Tuning of electrical impedance can be achieved by adjusting the materials used to print the leg elements, such as using inks with different electromagnetic permeability, dielectric constant, and / or conductivity. .. The type of material used to make the leg element can also be varied to affect the frequency response characteristics of the antenna. When the antenna receives a certain frequency, the leg element becomes active if the received frequency is below the threshold of the resonance frequency of that particular leg element and becomes inactive if the received frequency is above the threshold. .. Thus, the total path length of the active leg element at a given time point changes the overall resonant frequency of the antenna.

他の実施形態では、レッグ要素の選択は、その短絡回路のレッグ要素をともに電子的に切り替えることによって動的に生じ、それにより、レッグ要素を除外し、アンテナ経路長を低減する。電子的な切り替えは、アンテナのレッグ要素に結合された、マイクロプロセッサなどの電子回路によって達成される。 In another embodiment, the selection of leg elements occurs dynamically by electronically switching the leg elements of the short circuit together, thereby excluding the leg elements and reducing the antenna path length. Electronic switching is achieved by electronic circuits such as microprocessors coupled to the leg elements of the antenna.

いくつかの実施形態では、レッグ要素のチューニング可能な共振周波数を、テーパが付
されたセグメントを使用するなど、アンテナ要素の何学形状によって達成することができる。いくつかの実施形態では、誘電材料も、アンテナ全体の静電容量を調整するために、アンテナのレッグ要素間にプリントすることができる。
In some embodiments, the tunable resonant frequency of the leg element can be achieved by the learning shape of the antenna element, such as by using tapered segments. In some embodiments, the dielectric material can also be printed between the leg elements of the antenna to adjust the capacitance of the entire antenna.

いくつかの実施形態では、本発明のアンテナは、2次元の平らな設計として構成することができる。平らなアンテナは、輸送ボックスなど、基板で形成された対象の、1つまたは複数の面上に延びることができる。 In some embodiments, the antenna of the present invention can be configured as a two-dimensional flat design. The flat antenna can extend on one or more surfaces of the object formed of the substrate, such as a transport box.

さらなる実施形態では、アンテナ自体が、基板内に組み込まれた、3次元(3D)の何学形状を有している。3Dアンテナは、基板の構成要素上にプリントされた複数の導電体を有している。ここでは、各構成要素は、ともに結合及び積層されて、基板を形成している。本3Dアンテナは、特有に、波状のボール紙の多層構造、及び、波状の層自体の3Dの特徴など、基板材料の3Dの特徴を利用する。3Dアンテナの実施形態は、2次元の(平らな)設計上のアンテナの表面積を増大させることができる。表面積が大きければ、採取することができるエネルギ量が増大し、及び/または、通信のための受信及び送信が向上する。3Dアンテナは、選択可能なレッグ要素を通して、アンテナの経路長を変更することにより、様々な周波数で動作するように調整することもできる。 In a further embodiment, the antenna itself has a three-dimensional (3D) learning shape built into the substrate. The 3D antenna has a plurality of conductors printed on the components of the substrate. Here, each component is coupled and laminated together to form a substrate. This 3D antenna specifically utilizes the 3D characteristics of the substrate material, such as the multi-layered structure of the wavy cardboard and the 3D characteristics of the wavy layer itself. Embodiments of 3D antennas can increase the surface area of a two-dimensional (flat) design antenna. Larger surface areas increase the amount of energy that can be harvested and / or improve reception and transmission for communication. The 3D antenna can also be tuned to operate at different frequencies by varying the path length of the antenna through selectable leg elements.

本実施形態のアンテナは、ラベル、カード、及び、ボール紙などのパッケージなどの、紙ベースの材料を含む、様々な基板上か、ガラスまたはプラスチックなどの、紙ではない材料上にプリントすることができる。本発明のアンテナは、金属及びカーボンベースのインクなどの、任意の導電材料を使用してプリントすることができる。カーボンインクは、グラフェン及びカーボンナノオニオン、またはこれらの混合などの、構造化されたカーボンを含む場合がある。 The antenna of this embodiment may be printed on various substrates, including paper-based materials such as labels, cards, and packages such as cardboard, or on non-paper materials such as glass or plastic. can. The antenna of the present invention can be printed using any conductive material, such as metal and carbon based inks. Carbon inks may contain structured carbon, such as graphene and carbon nanoonions, or a mixture thereof.

本実施形態の特性には、本質的にフレキシブルなアンテナ技術と、向上されたRFIDレンジ及びフレキシビリティとが含まれる。本アンテナシステムの用途には、職員の遠隔測定用のバッジまたは衣類、グループのようなエネルギハーベスティング及び通信、独立した、及び、多数の、データ遠隔測定及びデータ収集、手動操作不要の輸送処理、荷役口での認可を含む在庫管理、位置及び内部コンテンツの管理、生鮮品の温度、湿度、衝撃などの監視、ならびに、内部製品または接続された回路の、エネルギハーベスティングされた給電または充電が含まれる。 The characteristics of this embodiment include inherently flexible antenna technology and improved RFID range and flexibility. Applications of this antenna system include badges or clothing for telemetry of personnel, energy harvesting and communication such as groups, independent and numerous data telemetry and data acquisition, transportation processing without manual operation, Includes inventory management, including approval at the cargo handling port, location and internal content management, monitoring of fresh temperature, humidity, impact, etc., as well as energy harvested power supply or charging of internal products or connected circuits. Will be.

本実施形態が、ダイポールアンテナに関して基本的に記載されるが、本コンセプトは、アレイアンテナ及びスロットアンテナを含む、任意のタイプのアンテナに適用される。通常は300MHzから24GHzの間の周波数で使用されるスロットアンテナは、このアンテナを取り付けることになる、どの表面からも、このアンテナを切り取ることができ、かつ、(ダイポールアンテナに類似の)概ね無指向性である放射パターンを有していることから、一般的である。スロットアンテナの偏波は線形である。スロットのサイズ、形状、及び、このスロット(キャビティ)の後方に何があるかにより、性能をチューニングするために使用することができる設計変数が与えられる。アンテナの指向性を増大させるために、解決策の1つが、反射器を使用することである。たとえば、ワイヤアンテナ(たとえば、半波長ダイポールアンテナ)を始点に、導電シートを、放射を前方向に向けるように、このアンテナの後方に配置することができる。指向性をさらに向上させるために、コーナの反射器が使用される場合がある。マイクロストリップまたはパッチアンテナが、これらを回路基板上に直接プリントできることから、ますます有用になってきている。 Although this embodiment is basically described with respect to a dipole antenna, the concept applies to any type of antenna, including array antennas and slot antennas. Slot antennas, typically used at frequencies between 300MHz and 24GHz, can be truncated from any surface to which this antenna will be mounted, and are largely omnidirectional (similar to a dipole antenna). It is common because it has a sexual radiation pattern. The polarization of the slot antenna is linear. The size and shape of the slot, and what lies behind this slot (cavity), give design variables that can be used to tune performance. One of the solutions to increase the directivity of the antenna is to use a reflector. For example, starting from a wire antenna (eg, a half-wave dipole antenna), a conductive sheet can be placed behind this antenna so that radiation is directed forward. Corner reflectors may be used to further improve directivity. Microstrip or patch antennas are becoming more and more useful because they can be printed directly on the circuit board.

実施形態は、基本的にエネルギハーベスティングに関して記載され、ここでは、アンテナは、エネルギを吸収することによるエネルギハーベスタである。しかし、このコンセプトは、限定ではないが、デジタル信号、アナログ信号、音声信号、及びテレビ信号などの
、すべてのタイプのデータの送信及び受信にも適用される。
Embodiments are essentially described with respect to energy harvesting, where the antenna is an energy harvester by absorbing energy. However, this concept also applies, but not limited to, the transmission and reception of all types of data, such as digital signals, analog signals, audio signals, and television signals.

従来のアンテナ
無線の2次元(2D)の平らなアンテナの受信を向上させるための設計上の因子が、最初に記載される。アンテナの設計における考慮事項の1つが、アンテナゲインである。単純に言えば、より高いゲインのアンテナにより、アンテナから受信される電力が増大する。アンテナがもっとも長いリーチを有することを確実にするために、高いゲインのアンテナの設計が必要である(たとえば、9dBi以上)。手短に言えば、ゲインが高いと、アンテナのレンジが高くなり、またその逆も真である。別の考慮事項が、サイズ及び向きである。向きに関しては、任意のアンテナからの最適なレンジは、アンテナが、発生源に完全に向いているか、発生源に対して適切に向けられていることを確実にすることによって達成される。サイズに関しては、一般的な経験則として、小さいアンテナはレンジが短く、大きいアンテナはレンジが長い。受動的RFIDアンテナは、数インチから50フィートを越えるまで、アンテナのレンジが変化し得る。大きいアンテナが、小さいアンテナよりも広くに放送することから、概して、アンテナが大きければ、アンテナのレンジが大きくなる。
Design factors for improving the reception of a two-dimensional (2D) flat antenna for conventional antenna radios are first described. One of the considerations in antenna design is antenna gain. Simply put, a higher gain antenna increases the power received from the antenna. High gain antenna designs are needed to ensure that the antenna has the longest reach (eg, 9 dBi and above). In short, the higher the gain, the higher the antenna range and vice versa. Another consideration is size and orientation. With respect to orientation, the optimum range from any antenna is achieved by ensuring that the antenna is fully oriented towards the source or properly oriented towards the source. As for size, a general rule of thumb is that smaller antennas have a shorter range and larger antennas have a longer range. Passive RFID antennas can vary in antenna range from a few inches to over 50 feet. Larger antennas generally have a larger antenna range, as larger antennas broadcast wider than smaller antennas.

図1A及び図1Bに示すように、アンテナ偏波は、2Dの(平らな)アンテナの設計における別の考慮事項である。偏波は、アンテナが発生する電磁場のタイプに関する。図1Aに示す線形偏波は、単一の平面に沿う放射に関する。図1Bに示す円偏波は、放射された電力を2つの軸に分割し、このため、できるだけ多くの平面をカバーするように場を「スピン」する、アンテナに関する。アンテナが、発生源の偏波と整列している場合、吸収が向上される。ここでは、線形偏波のアンテナが、円偏波のアンテナよりも多くを受信する。さらに、線形アンテナに関し、2つ以上の軸にわたって電力が分割されないことから、線形アンテナの場は、比較可能なゲインにおいて、円アンテナの場よりも遠くに延び、こうして、アンテナ源と整列している場合、アンテナレンジをより長くすることが可能である。アンテナが、発生源の偏波と整列していない場合、円偏波のアンテナが、線形偏波のアンテナよりも広く拡大する場を有することになる。 As shown in FIGS. 1A and 1B, antenna polarization is another consideration in the design of 2D (flat) antennas. Polarization relates to the type of electromagnetic field generated by the antenna. The linearly polarized waves shown in FIG. 1A relate to radiation along a single plane. The circularly polarized wave shown in FIG. 1B relates to an antenna that divides the radiated power into two axes and thus "spins" the field to cover as many planes as possible. Absorption is improved when the antenna is aligned with the polarization of the source. Here, a linearly polarized antenna receives more than a circularly polarized antenna. Furthermore, with respect to the linear antenna, the field of the linear antenna extends farther than the field of the circular antenna in comparable gain, thus aligning with the antenna source, because the power is not split across more than one axis. If so, it is possible to make the antenna range longer. If the antenna is not aligned with the polarization of the source, the circularly polarized antenna will have a wider field of expansion than the linearly polarized antenna.

抵抗力が、2Dアンテナ設計における、さらに別の考慮事項であり、導電体の抵抗力が増大すると、アンテナの受信が低減される。プリントアンテナが、パッケージの製造などの、材料製造ラインに完全に組み込むことができるRFID技術を達成するために、産業において考慮されてきている。しかし、プリントアンテナの欠点は、プリントアンテナのプリントされたトレースのバルクの導電率が、固体の金属よりも低いことから、その放射効率が、銅のアンテナに比べて低いことである。プリントアンテナの主な欠点は、固体金属からアンテナを製造することに比べると、アンテナの導電性が制限されることである。導電体及び導電性に関する基本的な規則により、導電体の厚さが増大するにつれて抵抗損が低減することが示されている。プリントされたインクのトレースが一様ではない場合であっても、同様の作用が、プリントされたトレースにも適用されることになる。所与の長さ及び幅であり、特定のインクの厚さでプリントされた電気伝達線が、長さに比例するとともに、トレースの幅及び厚さに反比例する全抵抗を有している。抵抗損は、インピーダンスのミスマッチによって生じるよりも、かなり重大に放射効率の損失に寄与する。このことは、以下の方程式によって表現される。 Resistance is yet another consideration in 2D antenna design, as increasing the resistance of the conductor reduces antenna reception. Printed antennas have been considered in the industry to achieve RFID technology that can be fully integrated into material manufacturing lines, such as package manufacturing. However, the drawback of printed antennas is that their radiation efficiency is lower than that of copper antennas because the bulk conductivity of the printed traces of the printed antenna is lower than that of solid metal. The main drawback of printed antennas is that they have limited conductivity compared to making antennas from solid metal. The basic rules for conductors and conductivity have shown that resistance loss decreases as the thickness of the conductor increases. Similar effects will apply to printed traces even if the printed ink traces are not uniform. An electrical transmission line printed at a given length and width and at a particular ink thickness has a total resistance that is proportional to the length and inversely proportional to the width and thickness of the trace. Resistance loss contributes significantly more to the loss of radiation efficiency than is caused by impedance mismatch. This is expressed by the following equation.

Figure 2022003798
Figure 2022003798

遠隔測定の要請が増え、無線電子機器の特性が発展すると、さらに多くの動作電力が必要とされる。向上された、大型のアンテナが、既存のアンテナと同じコストで、必要とさ
れている。
As the demand for telemetry increases and the characteristics of wireless electronic devices develop, more operating power is required. An improved, larger antenna is needed at the same cost as existing antennas.

周囲の環境において利用可能である様々な周波数を採取することが可能であるなど、エネルギハーベスティングの他の態様における向上も、遠隔測定及びIoTの用途に関して望ましい。いくつかの慣習的なマルチバンドアンテナシステムは、アンテナとのインピーダンスマッチングを達成するために、整流回路を利用する。他の既知のアンテナ設計には、各アンテナが特定の周波数に関して設計された複数のアンテナが含まれている。このアンテナでは、回路は、異なるアンテナ間で切り替わる。別の既知のタイプのアンテナが、フラクタルパターンを利用する、フラクタル広帯域アンテナである。フラクタルパターンは、フラクタル設計において利用可能である様々な経路長に起因して、複数の周波数を同時に受信することを可能にする。しかし、これらフラクタルアンテナが広帯域であるが、信号電流が複数の周波数にわたって一度に広がることから、このアンテナの、個別の周波数の各々の受信状態が弱い。 Improvements in other aspects of energy harvesting, such as the ability to capture the various frequencies available in the surrounding environment, are also desirable for telemetry and IoT applications. Some conventional multi-band antenna systems utilize rectifier circuits to achieve impedance matching with the antenna. Other known antenna designs include multiple antennas, each antenna designed for a particular frequency. With this antenna, the circuit switches between different antennas. Another known type of antenna is a fractal ultra-wideband antenna that utilizes a fractal pattern. The fractal pattern allows multiple frequencies to be received simultaneously due to the various path lengths available in the fractal design. However, although these fractal antennas are wideband, the reception state of each of the individual frequencies of this antenna is weak because the signal current spreads at once over a plurality of frequencies.

周波数選択性レッグ要素を有するアンテナ
本実施形態のアンテナは、アンテナの共振周波数を調整することができるように、アンテナの経路長が変更可能である、単一のアンテナを含んでいる。たとえば、共振周波数は、周囲の環境において、その時点でもっとも強い信号を有するのがどの周波数かに応じて、動的に変化させることができる。このため、本アンテナは、エネルギハーベスティングにおける電力の最適化が可能である。
Antenna with Frequency Selectivity Leg Element The antenna of this embodiment includes a single antenna in which the path length of the antenna can be changed so that the resonance frequency of the antenna can be adjusted. For example, the resonant frequency can be dynamically changed depending on which frequency has the strongest signal at that time in the surrounding environment. Therefore, this antenna can optimize the electric power in energy harvesting.

本アンテナは、連続した経路を形成する複数のレッグ要素を有している。ここで、1つまたは複数のレッグ要素は、除外することができる。すなわち、所望の共振周波数におけるアンテナの動作の間、アクティブではなくすることができる。アンテナは、たとえば、多くの周波数を同時に受信するフラクタルアンテナとは対照的に、特定の共振周波数のみでエネルギを集める。1つの周波数のみが採取されることから、アンテナは、高効率で動作する。採取されていた第1の信号が、もはや利用できないが、第2の信号の強度が増大している場合など、異なる周波数を、エネルギハーベスティングのためのターゲットとすることが望まれる場合、アンテナは、第2の信号の周波数に対応する、異なるアンテナ経路長を有するように調整することができる。 The antenna has a plurality of leg elements that form a continuous path. Here, one or more leg elements can be excluded. That is, it can be inactive during the operation of the antenna at the desired resonance frequency. Antennas collect energy only at specific resonant frequencies, for example, as opposed to fractal antennas that receive many frequencies simultaneously. Since only one frequency is picked up, the antenna operates with high efficiency. If it is desired to target a different frequency for energy harvesting, such as when the first signal being harvested is no longer available, but the strength of the second signal is increasing, then the antenna , Can be adjusted to have different antenna path lengths corresponding to the frequency of the second signal.

概して、アンテナの長さは、アンテナが設計の対象とする共振周波数の波長に対応するように設定される。たとえば、標準的なダイポールアンテナは、2つのロッドを有しており、このロッドの各々は、ターゲットの共振周波数の4分の1波長の長さである。ダイポールアンテナの全長は、半波長であり、このことは、ロッドの電圧及び電流の定常波に繋がる。定常波は、アンテナの供給ポイントからの電流が、4分の1波長のアンテナロッドを通って下がり、導電体(すなわち、アンテナロッド)の端部から反射され、アンテナロッドに沿って供給ポイントに戻る際の、全体の360度の位相変化によって生じる。波長λ(メートル)は、以下の方程式により、周波数f(MHz)に関連する。 In general, the length of the antenna is set to correspond to the wavelength of the resonant frequency that the antenna is designed for. For example, a standard dipole antenna has two rods, each of which is one-fourth the wavelength of the target's resonant frequency. The overall length of the dipole antenna is half wavelength, which leads to a standing wave of rod voltage and current. A standing wave is when the current from the antenna feed point drops through the quarter wavelength antenna rod, is reflected from the end of the conductor (ie, the antenna rod), and returns to the feed point along the antenna rod. It is caused by the phase change of 360 degrees of the whole. The wavelength λ (meter) is related to the frequency f (MHz) by the following equation.

Figure 2022003798
Figure 2022003798

このため、受信される周波数が高いと、アンテナの長さは短くなる。本実施形態は、この原理を、プリントされるレッグ要素によって可能にされる、選択可能なアンテナ要素に利用している。 Therefore, the higher the received frequency, the shorter the length of the antenna. The present embodiment utilizes this principle for selectable antenna elements enabled by the printed leg elements.

図2A及び図2Bは、周波数選択性要素のコンセプトを示す、アンテナの側断面図である。図2A及び図2Bでは、アンテナ200は、複数のレッグ要素210、220、及び
230を有している。この複数のレッグ要素210、220、及び230は、ともに、たとえば、ダイポールアンテナの1つのアームとしての役割を果たすことができる。レッグ要素が、本開示では、レッグセグメントとも称される場合があることに留意されたい。ダイポールアンテナの第2のアームを形成するために、端部201において接地平面(図示せず)に接続されている。この端部201は、レッグセグメント210の端部である。レッグセグメント210は、長さLを有し、レッグセグメント220は、長さLを有し、レッグセグメント230は、長さLを有している。長さL、L、及びLは、この実施形態では、すべて互いに異なるものとして図示されているが、他の実施形態では、これらの長さは、すべて同じである場合があるか、同じ長さと異なる長さとの組合せである場合がある。また、アンテナ200が、線形であるものとして記載されているが、アンテナ200は、限定ではないが、湾曲形状、らせん形状、または傾斜が付けられた曲げ部を有するものなどの、任意の形状である場合がある。
2A and 2B are side sectional views of the antenna showing the concept of the frequency selectivity element. In FIGS. 2A and 2B, the antenna 200 has a plurality of leg elements 210, 220, and 230. The plurality of leg elements 210, 220, and 230 can both serve, for example, as one arm of a dipole antenna. Note that leg elements may also be referred to in this disclosure as leg segments. It is connected to a ground plane (not shown) at the end 201 to form a second arm of the dipole antenna. This end 201 is the end of the leg segment 210. The leg segment 210 has a length L 1 , the leg segment 220 has a length L 2 , and the leg segment 230 has a length L 3 . The lengths L 1 , L 2 , and L 3 are all illustrated as different from each other in this embodiment, but in other embodiments, may they all be the same? It may be a combination of the same length and different lengths. Further, although the antenna 200 is described as being linear, the antenna 200 may have any shape, such as, but not limited to, a curved shape, a spiral shape, or one having a bent portion with an inclination. There may be.

図2Aでは、レッグ要素210、220、及び230のすべてがアクティブであり、これにより、アンテナ経路長が、LAeff=L+L+Lとなっている。図2Bでは、要素230が除外されており、それにより、アンテナ経路長が、LAeffより短いLBeff=L+Lに低減されている。周波数が、方程式2に関し、波長に反比例しており、LAeff>LBeffであることから、すべての要素がアクティブである、図2Aのモードで動作するアンテナは、レッグ要素230がアクティブではない、図2Bのモードの同じアンテナよりも低い周波数で共振する。このため、図2A及び図2Bは、アーム内の1つまたは複数のレッグ要素の異なる組合せを利用することにより、アンテナアームのアクティブな長さを変化させることが、アンテナの共振周波数をシフトさせることを示している。 In FIG. 2A, all of the leg elements 210, 220, and 230 are active, so that the antenna path length is L Aeff = L 1 + L 2 + L 3 . In FIG. 2B, the element 230 is excluded, whereby the antenna path length is reduced to L Beff = L 1 + L 2 , which is shorter than L Aeff. Frequency relates equation 2, is inversely proportional to the wavelength, since it is L Aeff> L Beff, all elements are active, the antenna operating in mode of FIG. 2A, leg element 230 is not active, Resonates at a lower frequency than the same antenna in the mode of FIG. 2B. Therefore, FIGS. 2A and 2B show that changing the active length of the antenna arm by utilizing different combinations of one or more leg elements in the arm shifts the resonant frequency of the antenna. Is shown.

本明細書に開示のいずれの実施形態においても、このコンセプトが、周波数応答をさらにカスタマイズするために、アンテナ要素の寸法の調整と組み合わせて利用され得る。たとえば、レッグ要素の幅は、その長さに沿ってテーパを付すことができる。 In any of the embodiments disclosed herein, this concept can be utilized in combination with the dimensional adjustment of antenna elements to further customize the frequency response. For example, the width of a leg element can be tapered along its length.

本実施形態は、基板と、この基板上のアンテナとを有するアンテナシステムを開示している。このシステムでは、アンテナが複数のレッグ要素を有している。複数のレッグ要素は、導電インクを備えており(すなわち、導電材料でプリントされている)、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の少なくとも1つは、アンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか、除外可能であり、選択されたレッグ要素は、共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する。共振周波数は、複数のレッグ要素における、除外されたレッグ要素がアクティブではないことに起因して、アンテナ経路長を低減することによって変更される場合がある。いくつかの実施形態では、導電インクは、カーボンベースであり、基板は紙を備えている。いくつかの実施形態では、アンテナはエネルギハーベスタである。 The present embodiment discloses an antenna system having a substrate and an antenna on the substrate. In this system, the antenna has multiple leg elements. The plurality of leg elements include conductive ink (ie, printed with conductive material) and form a continuous path. At least one of the plurality of leg elements can be individually selected or excluded to change the resonant frequency of the antenna, and the selected leg elements form the antenna path length corresponding to the resonant frequency. do. The resonance frequency may be changed by reducing the antenna path length due to the excluded leg elements being inactive in the plurality of leg elements. In some embodiments, the conductive ink is carbon-based and the substrate comprises paper. In some embodiments, the antenna is an energy harvester.

周波数選択性材料チューニング
いくつかの実施形態では、レッグ要素は、レッグ要素の材料を調整することによって選択されるか除外される。このことは、電気的インピーダンス、そしてひいては、レッグ要素の周波数応答に影響する。
Frequency Selectivity Material Tuning In some embodiments, the leg element is selected or excluded by adjusting the material of the leg element. This affects the electrical impedance and thus the frequency response of the leg elements.

インピーダンスは、交流電流が要素を通って流れることがどれだけ難しいかを示している。この周波数ドメインでは、インピーダンスは、アンテナが誘導子として作用することに起因して、実数部分と虚数部分とを有する複素数である。虚数部分は、アンテナの周波数f及びインダクタンスLに基づく、誘導リアクタンス成分Xである。 Impedance shows how difficult it is for alternating current to flow through an element. In this frequency domain, impedance is a complex number with a real part and an imaginary part due to the antenna acting as an inductor. Imaginary part is based on the frequency f and the inductance L of the antenna, an inductive reactance component X L.

Figure 2022003798
Figure 2022003798

受信する周波数が増大すると、リアクタンスも増大し、それにより、特定の周波数の閾値においては、(要素のインピーダンスが、たとえば100オームより高くなる場合に)この要素は、もはやアクティブではなくなる。インダクタンスLは、材料の電気的インピーダンスZによって影響される。ここで、Zは、以下の関係により、透磁率μ及び誘電率εの材料特性に関連する。 As the frequency received increases, so does the reactance, so that at a particular frequency threshold, this element is no longer active (when the impedance of the element is, for example, above 100 ohms). The inductance L is affected by the electrical impedance Z of the material. Here, Z is related to the material properties of the magnetic permeability μ and the dielectric constant ε due to the following relationship.

Figure 2022003798
Figure 2022003798

このため、アンテナの材料特性のチューニングにより、電気的インピーダンスZが変化し、このことは、インダクタンスLに影響し、そしてひいては、リアクタンスXに影響する。 Therefore, the tuning of the material properties of the antenna, the electrical impedance Z changes, this affects the inductance L, and therefore, affect the reactance X L.

本実施形態は、特有に、異なるインダクタンスを有するレッグ要素が異なる周波数応答を有することになることを確認する。すなわち、高いインダクタンスL(電気的インピーダンスZに基づく)を有するアンテナ要素が、より低いインダクタンスを有する別のアンテナ要素よりも低い周波数で、特定のリアクタンスに達することになる。方程式3から、より高い周波数に比べ、より低い周波数(たとえば、20MHzから100GHz)では、インピーダンスは低い。高いインピーダンスのレッグ要素よりも低いインピーダンスを有するアンテナのレッグ要素は、アクティブとなり、所望の周波数に関する共振に合うように、アンテナの経路長を増大させるために利用される(方程式2に関する)。周波数が増大するにつれて、要素のインピーダンスが、特定の共振周波数の閾値において、増大し、アクティブではなくなる、すなわち、無視されて、アンテナの経路長を効果的に短縮し、共振周波数を変更する。周波数応答に基づくレッグ要素の選択または除外は、電子的に制御する必要なく、材料自体の特性に起因して受動的に行われる。周波数選択性の材料チューニングの、この新規のコンセプトは、アクティブ要素によって形成されるアンテナ経路長を調整することにより、アンテナの最適な共振のチューニングに作用するために使用される。いくつかの実施形態では、アンテナの応答は、アンテナ材料の導電率σによっても影響され得る。 This embodiment specifically confirms that leg elements with different inductances will have different frequency responses. That is, an antenna element with a high inductance L (based on electrical impedance Z) will reach a particular reactance at a lower frequency than another antenna element with a lower inductance. From Equation 3, the impedance is lower at lower frequencies (eg, 20 MHz to 100 GHz) than at higher frequencies. The leg element of the antenna, which has a lower impedance than the leg element of high impedance, becomes active and is utilized to increase the path length of the antenna to match the resonance for the desired frequency (with respect to Equation 2). As the frequency increases, the impedance of the element increases and becomes inactive at a particular resonant frequency threshold, i.e. ignored, effectively shortening the path length of the antenna and altering the resonant frequency. The selection or exclusion of leg elements based on frequency response is passive due to the properties of the material itself, without the need for electronic control. This novel concept of frequency selectivity material tuning is used to affect the optimum resonance tuning of the antenna by adjusting the antenna path length formed by the active element. In some embodiments, the response of the antenna can also be influenced by the conductivity σ of the antenna material.

本実施形態は、透磁率、誘電率、及び導電率の、これら材料の特性を利用して、特定の共振周波数の閾値の結果となるように、特定の電気的インピーダンスを有する各レッグ要素を設計する。換言すると、アンテナ材料のチューニングは、エネルギハーベスティング及び電力伝達性能を最大にするための広帯域アンテナ要素を形成するために使用される。結果として得られる「メタアンテナ(meta−antenna)」は、基板にフィットすることができるアンテナ長さの物理的な制限によってのみ制限されるように、メガヘルツからギガヘルツまでのレンジなど、様々な周波数に対し、わずかな増加量で良好にチューニングすることができる。レッグ要素の周波数応答をアンテナの材料へと設計することにより、アンテナは、特有に、受動的に選択可能であるか除外可能であるレッグ要素を有している。すなわち、マイクロプロセッサなどの電子回路は、アンテナの経路長を変更するためには必要ない。代わりに、特定のレッグ要素が、このレッグ要素が設計される対象である特定の周波数において、自然にオンまたはオフにされることになる。 This embodiment utilizes the properties of these materials, such as magnetic permeability, permittivity, and conductivity, to design each leg element with a particular electrical impedance to result in a threshold for a particular resonance frequency. do. In other words, tuning of the antenna material is used to form an ultra-wideband antenna element for maximizing energy harvesting and power transfer performance. The resulting "meta-antenna" has a range of frequencies from megahertz to gigahertz, as limited only by the physical limitation of the length of the antenna that can fit the substrate. On the other hand, it can be tuned well with a slight increase. By designing the frequency response of the leg element to the material of the antenna, the antenna has a unique leg element that can be passively selected or excluded. That is, an electronic circuit such as a microprocessor is not required to change the path length of the antenna. Instead, a particular leg element will be naturally turned on or off at the particular frequency for which this leg element is designed.

図3A及び図3Bは、アンテナのレッグ要素を選択または除外するための、材料チュー
ニングの使用の実施形態を示す側断面図である。図2A及び図2Bのアンテナ200と同様に、図3A及び図3Bのアンテナ300は、複数のレッグセグメント310、320、及び330を有している。レッグセグメント310、320、及び330は、アンテナの1つのアームを形成することができ、一方、第2のアーム(たとえば、接地平面)は、レッグセグメント310の端部において、端部301で接続されている。レッグセグメント310は、長さL及び透磁率μを有し、レッグセグメント320は、長さL及び透磁率μを有し、レッグセグメント330は、長さL及び透磁率μを有している。長さL、L、及びLは、この実施形態では、すべて互いに異なるものとして図示されているが、他の実施形態では、これらの長さは、すべて同じである場合があるか、同じ長さと異なる長さとの組合せである場合がある。また、アンテナ300が、線形であるものとして記載されているが、限定ではないが、湾曲形状、らせん形状、または傾斜した形状などの、他の形状が使用され得る。
3A and 3B are side sectional views illustrating an embodiment of the use of material tuning for selecting or excluding leg elements of an antenna. Similar to the antenna 200 of FIGS. 2A and 2B, the antenna 300 of FIGS. 3A and 3B has a plurality of leg segments 310, 320, and 330. The leg segments 310, 320, and 330 can form one arm of the antenna, while the second arm (eg, the ground plane) is connected at the end 301 at the end of the leg segment 310. ing. The leg segment 310 has a length L 1 and a magnetic permeability μ 1 , the leg segment 320 has a length L 2 and a magnetic permeability μ 2 , and the leg segment 330 has a length L 3 and a magnetic permeability μ 3 have. The lengths L 1 , L 2 , and L 3 are all illustrated as different from each other in this embodiment, but in other embodiments, may they all be the same? It may be a combination of the same length and different lengths. Further, although the antenna 300 is described as being linear, other shapes such as, but not limited to, a curved shape, a spiral shape, or an inclined shape can be used.

アンテナ300の長さに沿う透磁率は選別されており、ここで、μがμより小であり、μがμより小であるように、(端部301における)接地平面から離れると、透磁率が増大する。透磁率が、インダクタンス、そしてひいては周波数応答に影響する電気的インピーダンスに比例することから、レッグ要素330、そしてひいてはレッグ要素320は、周波数が増大するにつれて、除外されることになり、したがって、アンテナ300の経路長を減少させる。換言すると、レッグ要素320及び330の各々に関し、対応する共振周波数の閾値が存在する。この閾値より上では、レッグ要素320または330の周波数応答が、レッグ要素320または330がアクティブで、アンテナ300に寄与するのに十分なレベルでは、電気を通さないレッグ要素320または330の結果となる。このため、レッグ要素330の共振周波数の閾値より大であるが、レッグ要素320の共振周波数の閾値未満である、受信された周波数においては、レッグ要素330は、その結果として得られるインピーダンスのレベルが高いことに起因して、アクティブではなくなることによって除外され、レッグ要素320が、その結果として得られるインピーダンスが低いことに起因して、アクティブとされることによって選択される。さらに、受信した周波数が、レッグ要素320の共振周波数の閾値の上の、さらに高いレベルである場合、レッグ要素320も、その結果として得られるインピーダンスのレベルが高いことに起因して、アクティブではなくなることによって除外されることになる。 Permeability along the length of the antenna 300 has been screened so that μ 1 is less than μ 2 and μ 2 is less than μ 3 away from the ground plane (at the end 301). And the magnetic permeability increases. Since the permeability is proportional to the inductance and thus the electrical impedance that affects the frequency response, the leg element 330, and thus the leg element 320, will be excluded as the frequency increases, and thus the antenna 300. Reduce the path length of. In other words, for each of the leg elements 320 and 330, there is a corresponding resonance frequency threshold. Above this threshold, the frequency response of the leg element 320 or 330 results in a non-conducting leg element 320 or 330 at a level sufficient to contribute to the antenna 300 with the leg element 320 or 330 active. .. Therefore, at a received frequency that is greater than the threshold of the resonant frequency of the leg element 330 but less than the threshold of the resonant frequency of the leg element 320, the leg element 330 has a resulting level of impedance. Excluded by being inactive due to the high, the leg element 320 is selected by being activated due to the resulting low impedance. Further, if the received frequency is at a higher level above the threshold of the resonant frequency of the leg element 320, the leg element 320 will also be inactive due to the high level of impedance resulting. It will be excluded by that.

たとえば、図3Aでは、EM信号の受信された周波数は、レッグ要素310、320、及び330のすべての、結果として得られるインピーダンスが十分に低くなることに関して、十分に低く、それにより、レッグ要素310、320、及び330のすべてがアクティブであるようになっている。すなわち、図3Aにおける受信された周波数は、レッグ要素310、320、及び330の共振周波数の閾値未満である。したがって、アンテナの経路長はLAeff=L+L+Lであり、アンテナは、4分の1波長LAeffに対応する共振周波数を有している。図3Bは、受信された周波数が図3Aのものよりも高く、レッグ要素330の、結果として得られるインピーダンスが、レッグ要素がアンテナ300に寄与するには高すぎるように、十分に高くなっている状況を示している。このため、図3Bでは、レッグ要素330は、アクティブではなく、ここで、受信された周波数は、レッグ要素330の共振周波数の閾値より高い。アンテナ経路長は、LAeffより短いLBeff=L+Lにのみへと低減されている。図3Bのアンテナは、図3Aのアンテナよりも高い共振周波数を有することになる。 For example, in FIG. 3A, the received frequency of the EM signal is low enough with respect to the resulting impedance of all of the leg elements 310, 320, and 330 being low enough, thereby the leg element 310. , 320, and 330 are all active. That is, the received frequency in FIG. 3A is less than the threshold of the resonant frequency of the leg elements 310, 320, and 330. Therefore, the path length of the antenna is L Aeff = L 1 + L 2 + L 3 , and the antenna has a resonance frequency corresponding to a quarter wavelength L Aff. FIG. 3B shows that the received frequency is higher than that of FIG. 3A and the resulting impedance of the leg element 330 is high enough so that the leg element is too high to contribute to the antenna 300. It shows the situation. Therefore, in FIG. 3B, the leg element 330 is not active, where the received frequency is higher than the threshold of the resonance frequency of the leg element 330. The antenna path length is reduced only to L Beff = L 1 + L 2, which is shorter than L Aeff. The antenna of FIG. 3B will have a higher resonance frequency than the antenna of FIG. 3A.

図3A及び図3Bは、複数のレッグ要素の第1のレッグ要素が、受信された周波数に依存する第1の共振周波数の閾値を有する、アンテナの実施形態を示している。第1のレッグ要素は、受信された周波数が第1の周波数の閾値より大である場合、アクティブではないようにすることにより、アンテナ経路長から受動的に除外される。いくつかの実施形態では、複数のレッグ要素の第2のレッグ要素は、受信された周波数に依存する第2の共振
周波数の閾値を有しており、第2の共振周波数の閾値は、第1の共振周波数の閾値より大であり、第2のレッグ要素は、受信された周波数が第2の共振周波数の閾値未満である場合に、共振によって受動的に選択される。第2のレッグ要素は、受信された周波数が第2の共振周波数の閾値より大である場合に、第1のレッグ要素に加えて受動的に除外され得、アンテナ経路長を減少させる。いくつかの実施形態では、第1の共振周波数の閾値は、第1のレッグ要素の第1の電気的インピーダンスに基づき、第2の共振周波数の閾値は、第2のレッグ要素の第2の電気的インピーダンスに基づく。第2の電気的インピーダンスは、材料特性の差異に起因して、第1の電気的インピーダンスとは異なっている。材料特性は、透磁率、誘電率、及び導電率からなるグループから選択される。
3A and 3B show an embodiment of an antenna in which the first leg element of the plurality of leg elements has a threshold of the first resonant frequency depending on the received frequency. The first leg element is passively excluded from the antenna path length by making it inactive when the received frequency is greater than the threshold of the first frequency. In some embodiments, the second leg element of the plurality of leg elements has a second resonance frequency threshold that depends on the received frequency, and the second resonance frequency threshold is the first. The second leg element is passively selected by resonance if the received frequency is less than the threshold of the second resonance frequency. The second leg element can be passively excluded in addition to the first leg element if the received frequency is greater than the threshold of the second resonant frequency, reducing the antenna path length. In some embodiments, the first resonant frequency threshold is based on the first electrical impedance of the first leg element, and the second resonant frequency threshold is the second electrical of the second leg element. Based on the target impedance. The second electrical impedance is different from the first electrical impedance due to the difference in material properties. Material properties are selected from the group consisting of magnetic permeability, dielectric constant, and conductivity.

いくつかの実施形態では、アンテナシステムは、基板と、この基板上のアンテナとを含んでいる。アンテナは、複数のレッグ要素を有しており、この複数のレッグ要素は、導電インクを備えるとともに、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の第1のレッグ要素は、受信された周波数と、第1のレッグ要素の第1の電気的インピーダンスとに依存する、第1の共振周波数の閾値を有している。第1の電気的インピーダンスは、透磁率、誘電率、及び導電率からなるグループから選択される材料特性に基づいている。第1のレッグ要素は、アンテナ経路長を変更することにより、アンテナの共振周波数を変更するように、個別に除外可能である。第1のレッグ要素は、受信された周波数が第1の周波数の閾値より大である場合、アクティブではないようにすることにより、アンテナ経路長から受動的に除外される。特定の実施形態では、複数のレッグ要素の第2のレッグ要素が、受信された周波数と、第2のレッグ要素の第2の電気的インピーダンスに依存する第2の共振周波数の閾値を有しており、第2の共振周波数の閾値は、第1のレッグ要素と比較した材料特性の差異に起因して、第1の共振周波数の閾値より高い。第2のレッグ要素は、受信された周波数が第2の共振周波数の閾値未満である場合に、共振によって受動的に選択される。 In some embodiments, the antenna system comprises a substrate and an antenna on the substrate. The antenna has a plurality of leg elements, which are provided with conductive ink and form a continuous path. The first leg element of the plurality of leg elements has a first resonance frequency threshold that depends on the received frequency and the first electrical impedance of the first leg element. The first electrical impedance is based on material properties selected from the group consisting of magnetic permeability, dielectric constant, and conductivity. The first leg element can be individually excluded so as to change the resonant frequency of the antenna by changing the antenna path length. The first leg element is passively excluded from the antenna path length by making it inactive when the received frequency is greater than the threshold of the first frequency. In certain embodiments, the second leg element of the plurality of leg elements has a threshold for the received frequency and a second resonant frequency that depends on the second electrical impedance of the second leg element. The second resonance frequency threshold is higher than the first resonance frequency threshold due to the difference in material properties compared to the first leg element. The second leg element is passively selected by resonance if the received frequency is less than the threshold of the second resonance frequency.

図4は、アンテナ400の斜視図を示しており、標準的な平らな逆Fアンテナ(PIFA)設計の材料チューニングのコンセプトを実施している。アンテナ400の実施形態は、接地平面405と、アンテナ400のセグメントである複数のレッグ要素401とを有している。レッグ要素401は、第1のレッグ要素410及び第2のレッグ要素420を含んでいる。第1のレッグ要素410は、透磁率μを有しており、第2のレッグセグメント420は、透磁率μを有しており、μ>μである。レッグ要素410は、破線のボックス415によって示すように、その共振周波数の閾値より高い、受信された高い周波数においては、利用可能にはならない。この理由は、レッグ要素410のインピーダンスが高くなりすぎるためである。換言すると、十分に高い周波数では、レッグ要素410は応答せず、電流は、レッグ要素410とレッグ要素420との間の交差部で反射する。このため、「F」形状の経路に沿うアンテナ経路長は短縮され、共振周波数が増大する。より高い周波数では、レッグ要素420も、インピーダンスが高くなりすぎることから、利用不可能になり、それにより、電流が流れる際に沿うアンテナ経路長は、長さがさらに短縮されるようになっている。すなわち、破線のボックス415及び425のエリアは、除外されて、共振周波数を増大させる。 FIG. 4 shows a perspective view of the antenna 400, which implements the material tuning concept of a standard flat inverted F antenna (PIFA) design. An embodiment of the antenna 400 has a ground plane 405 and a plurality of leg elements 401 that are segments of the antenna 400. The leg element 401 includes a first leg element 410 and a second leg element 420. The first leg element 410 has a magnetic permeability μ 1 and the second leg segment 420 has a magnetic permeability μ 2 and μ 1 > μ 2 . The leg element 410 is not available at high received frequencies above its resonant frequency threshold, as indicated by the dashed box 415. The reason for this is that the impedance of the leg element 410 becomes too high. In other words, at a sufficiently high frequency, the leg element 410 does not respond and the current is reflected at the intersection between the leg element 410 and the leg element 420. Therefore, the antenna path length along the "F" shaped path is shortened and the resonance frequency is increased. At higher frequencies, the leg element 420 is also unavailable because the impedance becomes too high, which further reduces the length of the antenna path along the current flow. .. That is, the dashed boxes 415 and 425 areas are excluded to increase the resonant frequency.

アンテナの長さに沿う材料特性を変更する能力は、アンテナをプリントすることにより、特有に可能にされる。プリントは、たとえば、インクジェットプリント、フレキソプリント、またはシルクスクリーンプリントの方法によって実施することができる。いくつかの実施形態では、材料の導電率は、アンテナに沿って変化する。カーボンベースのインクを使用する実施例では、炭素同素体のタイプ(たとえば、グラフェン、カーボンナノオニオンなど)は、レッグ要素間で変化させることができるか、同素体の導電率を変化させることができる(たとえば、低密度のグラフェンは、より密度の高いグラフェンよりも低い導電率を有する)。いくつかの実施形態では、材料の透磁率は、レッグ要素の周波数の閾
値に影響するように、変化させることができる。たとえば、強磁性体材料(たとえば酸化鉄)は、低周波数(たとえば、500kHZから500MHZ)で使用することができ、常磁性体材料(たとえば、鉄シリサイド)は、高周波数(たとえば、500kHZから5GHZ)で使用することができ、あるいは、反強磁性体材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、誘電率が、誘電率のみで、または、導電率及び透磁率と組み合わせて、レッグ要素の所望のインピーダンス値を達成するように、チューニングすることができる。
The ability to change material properties along the length of the antenna is uniquely made possible by printing the antenna. Printing can be performed, for example, by inkjet printing, flexographic printing, or silk screen printing. In some embodiments, the conductivity of the material varies along the antenna. In embodiments where carbon-based inks are used, the type of carbon allotrope (eg graphene, carbon nanoonions, etc.) can be varied between leg elements or the conductivity of the allotrope can be varied (eg,). , Low density graphene has lower conductivity than denser graphene). In some embodiments, the permeability of the material can be varied to affect the frequency threshold of the leg element. For example, ferromagnetic materials (eg, iron oxide) can be used at low frequencies (eg, 500 kHz to 500 MHZ), and paramagnetic materials (eg, iron silicide) can be used at high frequencies (eg, 500 kHz to 5 GHz). Can be used in, or antiferromagnetic materials can be used. In some embodiments, the permittivity can be tuned to achieve the desired impedance value of the leg element, either alone or in combination with conductivity and permeability.

通常は、慣習的なアンテナ要素は、関連する導電率が特定の共振周波数に影響する、単一のタイプの材料で形成されている。対照的に、本実施形態のアンテナ材料は、プリントされる。ここでは、プリントインクは、共振周波数に関してアクティブであるアンテナの経路長を変更することにより、その共振周波数に影響するように、単一のアンテナのサブセクション内の可変特性によってカスタマイズすることができる。材料特性のカスタマイズは、レッグの透磁率、誘電率、及び/または導電率の変更によって達成することができる。このアンテナ材料の調整は、エネルギの受信及び送信が向上したケースにおいて、アンテナ及び/またはマッチングネットワークの要素を、さらに変更することがなくなり得る。 Conventional antenna elements are usually made of a single type of material, the associated conductivity of which affects a particular resonant frequency. In contrast, the antenna material of this embodiment is printed. Here, the print ink can be customized by variable characteristics within a single antenna subsection to affect its resonant frequency by varying the path length of the antenna that is active with respect to the resonant frequency. Customization of material properties can be achieved by changing the magnetic permeability, dielectric constant, and / or conductivity of the legs. This adjustment of antenna material may eliminate further changes to the antenna and / or matching network elements in cases where energy reception and transmission are improved.

周波数選択性デジタルチューニング
異なる周波数に応答するようにアンテナ材料をチューニングすることによる、経路長の変更に加え、いくつかの実施形態では、アンテナの経路長を、レッグ要素を電子的に選択または除外することによって変更することができる。図5は、図4に類似のPIFAの設計のアンテナ500を示している。ここでは、アンテナ500は、1つのアンテナアームとしての役割を果たす接地平面505と、第2のアンテナアームとしての役割を果たす複数のレッグ要素501とを有している。複数のレッグ要素501は、第1のレッグ要素510、第2のレッグ要素520、及び第3のレッグ要素530を含んでいる。レッグ要素510、520、及び530は、レッグ要素510とレッグ要素520との間の隙間560、及び、レッグ要素520とレッグ要素530との間の隙間561など、レッグ要素間に隙間を伴って、蛇行したパターンを形成する平行なセグメントである。電気接続部515、525、及び535は、レッグ要素間の交差部において、レッグ要素510、520、及び530のそれぞれの端部に接続されている。電気接続部515、525、及び535は、マイクロプロセッサなど、電子回路550に電気的に結合された電気リードである。本開示の「チューニング回路」セクションで記載された電子回路550は、レッグ要素をともに短絡させて、これらレッグ要素を除外することができる。たとえば、接続部515及び525は、レッグ要素510がレッグ要素520に対して短絡されて、レッグ要素510の存在を効率的に除去(すなわち、除外)するように、電子回路によってブリッジさせることができる。
Frequency Selectivity Digital Tuning In addition to changing the path length by tuning the antenna material to respond to different frequencies, in some embodiments the path length of the antenna is electronically selected or excluded from the leg elements. Can be changed by FIG. 5 shows an antenna 500 with a PIFA design similar to FIG. Here, the antenna 500 has a ground plane 505 that serves as one antenna arm and a plurality of leg elements 501 that serve as a second antenna arm. The plurality of leg elements 501 include a first leg element 510, a second leg element 520, and a third leg element 530. The leg elements 510, 520, and 530 include gaps between the leg elements, such as a gap 560 between the leg element 510 and the leg element 520, and a gap 561 between the leg element 520 and the leg element 530. Parallel segments that form a meandering pattern. The electrical connections 515, 525, and 535 are connected to the respective ends of the leg elements 510, 520, and 530 at the intersections between the leg elements. The electrical connections 515, 525, and 535 are electrical leads that are electrically coupled to an electronic circuit 550, such as a microprocessor. The electronic circuit 550 described in the "Tuning Circuits" section of the present disclosure may short-circuit the leg elements together to exclude these leg elements. For example, the connections 515 and 525 can be bridged by an electronic circuit such that the leg element 510 is shorted to the leg element 520 and the presence of the leg element 510 is efficiently removed (ie, excluded). ..

図6Aから図6Cは、アンテナ500が共振する周波数を変更するように、レッグ要素がどのように除外され得るかを示している。Sパラメータ(S1,1)のグラフが、レッグ要素の様々な組合せに関して示されている。図6Aでは、アンテナ500全体が使用されている。ここでは、すべてのレッグ要素501が選択されており、アクティブである。共振周波数は、図6Aでは2.42GHzである。図6Bでは、レッグ要素510は、ブランクエリア517によって示されるように、機能的に除去されている。このレッグ要素510の除外は、接続部515と接続部525とを、電子回路550を使用してともにブリッジすることによって達成され、こうして、レッグ要素510をレッグ要素520に対して短絡させる。図6Bにおいて、結果として得られるアンテナ経路長は、図6Aのアンテナ全体より短く、したがって、中心の周波数は、より高く、2.475GHzにシフトする。図6Cでは、レッグ要素510とレッグ要素520とは両方とも、ブランクエリア517とブランクエリア527とによって示されるように、除去されている。レッグ要素
510及び520は、接続部515、525、及び535をともにブリッジすることにより、除外されており、こうして、レッグ要素510、520、及び530を互いに対して短絡させる。図6Cのアンテナ経路長が、図6Aまたは図6Bよりもさらに短くなっているにも関わらず、周波数は予測されるほど増大しないが、低く、2.34GHzにシフトする。この理由は、F形状の設計において平行なレッグ要素を除去すること(たとえば、隙間560及び561に起因する静電容量の影響の除去)に起因して、静電容量が低減されたためである。こうして、アンテナ全体の幾何学形状(たとえば、蛇行形状、螺旋状、線形)が、所望の共振周波数に関し、アンテナを調整するように、選択可能なレッグ要素と組み合わせて使用することができる、静電容量の影響を生じ得ることを見ることができる。
6A-6C show how leg elements can be excluded so as to change the frequency at which the antenna 500 resonates. Graphs of S-parameters (S1,1) are shown for various combinations of leg elements. In FIG. 6A, the entire antenna 500 is used. Here, all leg elements 501 are selected and active. The resonance frequency is 2.42 GHz in FIG. 6A. In FIG. 6B, the leg element 510 is functionally removed, as indicated by the blank area 517. This exclusion of the leg element 510 is achieved by bridging the connection 515 and the connection 525 together using an electronic circuit 550, thus shorting the leg element 510 with respect to the leg element 520. In FIG. 6B, the resulting antenna path length is shorter than the entire antenna of FIG. 6A, thus the central frequency is higher and shifts to 2.475 GHz. In FIG. 6C, both the leg element 510 and the leg element 520 are removed, as indicated by the blank area 517 and the blank area 527. The leg elements 510 and 520 are excluded by bridging the connections 515, 525, and 535 together, thus shorting the leg elements 510, 520, and 530 to each other. Although the antenna path length in FIG. 6C is even shorter than in FIG. 6A or FIG. 6B, the frequency does not increase as expected, but shifts low to 2.34 GHz. The reason for this is that the capacitance is reduced due to the elimination of parallel leg elements in the F-shape design (eg, elimination of the effect of capacitance due to the gaps 560 and 561). Thus, the geometry of the entire antenna (eg, meandering, spiraling, linear) can be used in combination with selectable leg elements to adjust the antenna for the desired resonant frequency. It can be seen that the effect of capacity can occur.

図5、及び、図6Aから図6Cは、アンテナシステムが、複数のレッグ要素の各々に対する接続部を有する電子回路を有する実施形態を示している。電子回路は、複数のレッグ要素の内の第1のレッグ要素を第2のレッグ要素に対して短絡させることにより、複数のレッグ要素の内の第1のレッグ要素を動的に除外するように構成されている。 5 and 6A-6C show an embodiment in which the antenna system has an electronic circuit having connections to each of the plurality of leg elements. The electronic circuit is to dynamically exclude the first leg element among the plurality of leg elements by short-circuiting the first leg element among the plurality of leg elements with respect to the second leg element. It is configured.

いくつかの実施形態では、エネルギハーベスティングシステムは、アンテナシステム及び電子回路を含んでいる。アンテナシステムは、基板と、この基板上のアンテナとを含んでいる。アンテナは、複数のレッグ要素を有しており、この複数のレッグ要素は、カーボンベースの導電インクを備えるとともに、連続した経路を形成している。複数のレッグ要素の各々は、アンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか、除外可能であり、選択されたレッグ要素は、共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する。電子回路は、複数のレッグ要素の各々に対する接続部を有しており、ここで、電子回路は、複数のレッグ要素の内の第1のレッグ要素を第2のレッグ要素に対して短絡させることにより、複数のレッグ要素の内の第1のレッグ要素を動的に除外するように構成されている。 In some embodiments, the energy harvesting system includes an antenna system and an electronic circuit. The antenna system includes a substrate and an antenna on the substrate. The antenna has a plurality of leg elements, the plurality of leg elements including carbon-based conductive ink and forming a continuous path. Each of the plurality of leg elements can be individually selected or excluded so as to change the resonant frequency of the antenna, and the selected leg elements form an antenna path length corresponding to the resonant frequency. The electronic circuit has a connection to each of the plurality of leg elements, wherein the electronic circuit short-circuits the first leg element of the plurality of leg elements with respect to the second leg element. Is configured to dynamically exclude the first leg element from the plurality of leg elements.

いくつかの実施形態では、電子回路は、周囲の環境内の、複数の利用可能な周波数を識別し、この複数の利用可能な周波数の電力レベルに基づき、共振周波数を設定する識別回路と、複数のレッグ要素の内のレッグ要素を選択または除外することにより、共振周波数に対応するように、アンテナ経路長を調整する、接続部と通信している切替回路と、を含んでいる。特定の実施形態では、識別回路は、共振周波数を、複数の利用可能な周波数の内の、もっとも高い電力レベルを有する周波数となるように設定する、マイクロプロセッサを備えている。 In some embodiments, the electronic circuit identifies a plurality of available frequencies in the surrounding environment and sets the resonant frequency based on the power level of the plurality of available frequencies. It includes a switching circuit communicating with the connection, which adjusts the antenna path length to correspond to the resonant frequency by selecting or excluding the leg element from the leg elements of. In certain embodiments, the identification circuit comprises a microprocessor that sets the resonant frequency to be the frequency with the highest power level of the plurality of available frequencies.

いくつかの実施形態では、材料チューニングの実施形態と、電子的な切替えの実施形態とを、組み合わせて使用することができる。たとえば、図4の異なる透磁率のレッグ要素は、図5の電気的なリード接続部を有することもできる。各方法を合わせることは、実施することができる共振周波数応答の変化の、さらなるカスタマイズに繋がり得る。このことは、たとえば、図7のSパラメータのグラフ700によって示されている。このカーブは、様々な長さの線形アンテナに関するS(1,1)の応答を示している。ここでは、カーブ710は、1の単位長さを示し、カーブ720は、2の単位長さに関するものであり、カーブ730は、3の単位長さに関するものであり、カーブ740は、0.75の単位長さに関するものであり、カーブ750は、0.5の単位長さに関するものである。見ることができるように、共振周波数のピークは、アンテナ長さが異なっていることに起因して、互いに対してシフトする。カーブ715は、カーブ710の1つの共振ピークに関する、電気的な切り替えと組み合わせての材料チューニングの使用を示している。すなわち、カーブ710の狭い共振ピークは、デジタルチューニングが材料チューニングと合わせられた際に、広げられる。換言すると、要素を電子的に除外することによって形成されるアンテナ長さは、依然として、特定の共振周波数応答に繋がることになるが、材料チュー
ニングが合同して使用される場合、これら共振周波数周りのより広いバンドの応答を伴う。見ることができるように、本アンテナは、特定の周波数周りの共振周波数レンジを含む、特定の周波数で動作するように組み立てられた共振器としての役割を果たすことができる。
In some embodiments, material tuning embodiments and electronic switching embodiments can be used in combination. For example, leg elements with different magnetic permeability of FIG. 4 can also have the electrical lead connection of FIG. Matching each method can lead to further customization of the changes in the resonant frequency response that can be performed. This is shown, for example, by graph 700 of the S-parameters of FIG. This curve shows the response of S (1,1) for linear antennas of various lengths. Here, curve 710 indicates a unit length of 1, curve 720 relates to a unit length of 2, curve 730 relates to a unit length of 3, and curve 740 relates to a unit length of 3. The curve 750 relates to a unit length of 0.5. As can be seen, the peaks of the resonant frequency shift relative to each other due to the different antenna lengths. Curve 715 demonstrates the use of material tuning in combination with electrical switching for one resonant peak of curve 710. That is, the narrow resonant peak of the curve 710 is widened when the digital tuning is combined with the material tuning. In other words, the antenna length formed by electronically excluding the elements will still lead to specific resonant frequency responses, but when material tuning is used together, around these resonant frequencies. With a wider band response. As can be seen, the antenna can serve as a resonator constructed to operate at a particular frequency, including a resonant frequency range around a particular frequency.

静電容量チューニング
さらなる実施形態では、誘電材料は、アンテナの静電容量を変更するように、アンテナの構造内及び/または基板内にプリントすることができる。たとえば、プリントされた誘電要素は、複数のレッグ要素の内の2つのレッグ要素間で利用することができる。この静電容量チューニングのコンセプトは、図8A及び図8Bに示すマイクロストリップアンテナ800によって示されている。ここで、図8Aは平面図であり、図8Bは側断面図である。パッチアンテナ810は、マイクロストリップ伝達線820によって給電され、このパッチアンテナ810とマイクロストリップ伝達線820との両方は、基板830の表面上に取り付けられている。接地平面840は、基板830の反対側に取り付けられている。パッチアンテナ810、マイクロストリップ伝達線820、及び接地平面840は、高い導電率の金属(通常は、慣習的なアンテナでは銅)で形成されている。パッチアンテナ810は、長さLと、幅Wとの寸法を有している。基板830は、誘電率εを有する、厚さhの誘電回路基板である。
Capacitance Tuning In a further embodiment, the dielectric material can be printed within the structure and / or substrate of the antenna to change the capacitance of the antenna. For example, a printed dielectric element can be used between two leg elements within a plurality of leg elements. This capacitance tuning concept is illustrated by the microstrip antenna 800 shown in FIGS. 8A and 8B. Here, FIG. 8A is a plan view, and FIG. 8B is a side sectional view. The patch antenna 810 is powered by the microstrip transmission line 820, and both the patch antenna 810 and the microstrip transmission line 820 are mounted on the surface of the substrate 830. The ground plane 840 is attached to the opposite side of the substrate 830. The patch antenna 810, the microstrip transmission line 820, and the ground plane 840 are made of a highly conductive metal (usually copper in conventional antennas). The patch antenna 810 has dimensions of a length L and a width W. The substrate 830 is a dielectric circuit board having a dielectric constant of ε r and having a thickness of h.

接地平面840、または、アンテナ810及び伝達線820によって形成されたマイクロストリップの厚さは、決定的に重要ではない。通常、高さhは、作動波長よりもかなり低いが、波長の0.025(波長の1/40)よりもかなり短いものとすべきではなく、そうでなければ、アンテナの効率が低減されることになる。 The thickness of the ground plane 840, or the microstrip formed by the antenna 810 and the transmission line 820, is not critical. Normally, the height h is well below the working wavelength, but should not be much shorter than 0.025 (1/40 of the wavelength) of the wavelength, otherwise the efficiency of the antenna will be reduced. It will be.

パッチアンテナ810の動作周波数は、長さLによって判定される。中心周波数f(すなわち、共振周波数)は、おおよそ、以下によって与えられる。 The operating frequency of the patch antenna 810 is determined by the length L. The center frequency f c (ie, the resonant frequency) is approximately given by:

Figure 2022003798
Figure 2022003798

こうして、アンテナ800の共振周波数は、基板830の誘電率によって影響される。図8Bの実施形態では、誘電体層850は、基板830の集合的な誘電率を変更するように、基板830の前面(及び/または後面)上にプリントすることができる。他の実施形態では、基板830は、段ボール構造など、層状である場合があり、ここで、誘電要素は、ボール紙の外側表面のいずれかの上、及び/または、ボール紙の中間層内(たとえば、波状層上)にプリントすることができる。プリントされた誘電体を利用することにより、一意的に、静電容量、そして最終的には、アンテナの周波数応答を調整するための、材料の特性及び寸法の良好なチューニングが可能になる。 Thus, the resonance frequency of the antenna 800 is affected by the dielectric constant of the substrate 830. In the embodiment of FIG. 8B, the dielectric layer 850 can be printed on the front surface (and / or back surface) of the substrate 830 so as to change the collective dielectric constant of the substrate 830. In other embodiments, the substrate 830 may be layered, such as in a corrugated board structure, where the dielectric element is on any of the outer surfaces of the cardboard and / or in an intermediate layer of the cardboard ( For example, it can be printed on a wavy layer). The use of printed dielectrics allows for good tuning of material properties and dimensions to uniquely adjust the capacitance and, ultimately, the frequency response of the antenna.

いくつかの実施形態では、プリントされた誘電要素は、アンテナの周波数応答をカスタマイズするために、レッグ要素間で利用することができる。たとえば、図5に戻ると、隙間560及び/または隙間561は、プリントされた誘電インクを使用して形成することができる。インクの特性は、レッグ要素間に特定の静電容量を形成するように、カスタマイズすることができる。プリントされた誘電体の寸法も、プリントプロセスによって制御することができる。 In some embodiments, the printed dielectric element is available between the leg elements to customize the frequency response of the antenna. For example, returning to FIG. 5, the gap 560 and / or the gap 561 can be formed using the printed dielectric ink. The properties of the ink can be customized to form a particular capacitance between the leg elements. The dimensions of the printed dielectric can also be controlled by the printing process.

基板上の2Dアンテナ
アンテナ設計の実施例を、ここで提供する。このアンテナ設計では、上述の周波数選択
性の特性を、基板上のプリントアンテナとともに実施することができる。平らな(2D)アンテナを、最初に記載する。
2D Antennas on Substrate An example of antenna design is provided here. In this antenna design, the above-mentioned frequency selectivity characteristics can be implemented together with the printed antenna on the substrate. A flat (2D) antenna is described first.

図9は、図4及び図5に関して前述した、PIFA設計として構成されたアンテナ900を示している。PIFAアンテナ900は、1つの導電体としての役割を果たすF形状のアンテナ901と、このダイポール設計における別の導電体の役割を果たす接地平面905とを有している。アンテナ900に関する、例示的なアンテナゲイン応答910(dBi)は、2.443GHzのBluetooth(登録商標)の周波数でモデル化されており、すべての方向において一様な放射パターンを示している。換言すると、アンテナゲイン応答910は、このアンテナ900が、実質的に任意の方向に放出するか、任意の方向から受信することができる、受信または送信に関する指向性を有している。 FIG. 9 shows the antenna 900 configured as the PIFA design described above with respect to FIGS. 4 and 5. The PIFA antenna 900 has an F-shaped antenna 901 that serves as one conductor and a ground plane 905 that serves as another conductor in this dipole design. An exemplary antenna gain response 910 (dBi) for the antenna 900 is modeled at a Bluetooth® frequency of 2.443 GHz and exhibits a uniform radiation pattern in all directions. In other words, the antenna gain response 910 has a receive or transmit directivity that allows the antenna 900 to emit or receive from substantially any direction.

図10は、直交する平らなアーム1001とアーム1002との、同一の対を2つ有する、波状アンテナ1000を示している。アーム1001及び1002の各々は、本開示の材料チューニングの実施形態、電子的に切り替え可能な実施形態、及び/または、静電容量チューニングの実施形態で記載したように、選択可能なレッグ要素を有して構成することができる。アーム1001及び1002の各々の縁部は、周方向の対数周期の角度セクタθの、二等分線1005を越えて前後にスイングする、波状カーブである。アーム1001、1002の各々は、二等分線1005の一方側での幾何学的に類似のセルの交互に並んだシークエンスである。セクタ角度θは、180度以上に達し得、それにより、隣接するアームのセルが差し込まれるが、接触しないようになっている。各アームの何学形状は、2つの角度、対数周期の成長定数、並びに、内側の半径及び外側の半径によって完全に特定されている(DuHamel、及びFilipovic & Cencichによる既知の技術に記載されている)。高性能の波状アンテナは、通常、自己相補的であり、動作する周波数帯にわたって安定した放射パターン及びインピーダンスを達成するように、タイトに巻かれている。応答1010と応答1020とが、2つの設計において示されている。2.75GHzの共振周波数のアンテナが、応答1010に示され、5GHzの共振周波数が応答1020に示されている。 FIG. 10 shows a wavy antenna 1000 having two identical pairs of orthogonal flat arms 1001 and arms 1002. Each of the arms 1001 and 1002 has selectable leg elements as described in the material tuning embodiments, electronically switchable embodiments, and / or capacitive tuning embodiments of the present disclosure. Can be configured. Each edge of the arms 1001 and 1002 is a wavy curve swinging back and forth across the bisector 1005 of the angular sector angular sector θ in the circumferential direction. Each of the arms 1001 and 1002 is an alternating sequence of geometrically similar cells on one side of the bisector 1005. The sector angle θ can reach 180 degrees or more, so that cells of adjacent arms are inserted but not in contact. The learning shape of each arm is completely identified by two angles, a log-periodic growth constant, and an inner radius and an outer radius (DuHamel, and known techniques by Filipovic & Cencich). ). High performance wavy antennas are usually self-complementary and are tightly wound to achieve a stable radiation pattern and impedance over the operating frequency band. Response 1010 and response 1020 are shown in two designs. An antenna with a resonant frequency of 2.75 GHz is shown in response 1010 and a resonant frequency of 5 GHz is shown in response 1020.

図11Aから図11Cは、輸送ボックスなどの対象1120の、隣接する2つの側部1122と側部1124との上にプリントされた、平らなアンテナ1110を示している。アンテナ1110の、2つのアンテナアーム1101とアンテナアーム1105と(すなわち導電体)は、たとえば、PIFA設計の接地平面及びF形状の要素である場合がある。図11B及び図11Cは、要素1101の長さを、(図7のグラフのように)所望の共振周波数に関して変更することができることを示しており、この実施形態では、アンテナ要素(アーム)1001の経路長は、図11Cよりも図11Bの方が短い。アンテナの経路長の変化は、アンテナアーム1101内のレッグ要素を除外することによって達成される場合がある。 11A-11C show a flat antenna 1110 printed on two adjacent sides 1122 and 1124 of an object 1120, such as a transport box. The two antenna arms 1101 and the antenna arm 1105 (ie, conductor) of the antenna 1110 may be, for example, a ground plane and F-shaped element of the PIFA design. 11B and 11C show that the length of element 1101 can be varied with respect to the desired resonant frequency (as in the graph of FIG. 7), in this embodiment of the antenna element (arm) 1001. The path length is shorter in FIG. 11B than in FIG. 11C. The change in antenna path length may be achieved by excluding the leg element within the antenna arm 1101.

PIFA及び波状アンテナの幾何学形状が既知であるが、図9及び図10は、本実施形態の周波数選択性アンテナ設計が、単純なものから複雑なものまで、幅広い様々な幾何学形状に適用できることを示している。本アンテナがプリントされていることから、一般的なアンテナよりもさらに複雑な幾何学形状が達成可能である。図11Aから図11Cは、本開示のアンテナが、偏波を向上させるためのものなど、3Dの方式で構成することができることを示している。 Although the geometries of PIFAs and wavy antennas are known, FIGS. 9 and 10 show that the frequency selective antenna design of this embodiment can be applied to a wide variety of geometries, from simple to complex. Is shown. Since this antenna is printed, it is possible to achieve a more complicated geometric shape than a general antenna. 11A to 11C show that the antennas of the present disclosure can be configured in a 3D fashion, such as those for improving polarization.

基板上の3Dアンテナ
本周波数選択性プリントアンテナは、アンテナ構成要素を、表面上への電気的にアクティブなレイヤリング、及び、電磁場の受信のための、基板の中間層として組み込むことにより、3D構造として実施することもできる。一般的なアンテナの受信を向上させるため
に、アンテナのサイズ、数、及び寸法は、本実施形態では向上されている。本明細書のいくつかの実施形態が、段ボールなど、パッケージングに関する基板を記載するが、紙、ガラス、プラスチックを含む、多層の基板の他のタイプも、本開示の範囲に含まれる。
3D antenna on board This frequency selective printed antenna has a 3D structure by incorporating the antenna components as an intermediate layer on the board for electrically active layering on the surface and reception of electromagnetic fields. It can also be carried out as. In order to improve the reception of general antennas, the size, number, and dimensions of the antennas have been improved in this embodiment. While some embodiments herein describe substrates for packaging, such as corrugated cardboard, other types of multi-layer substrates, including paper, glass, and plastic, are also included within the scope of this disclosure.

いくつかの実施形態では、基板材料自体は、2Dまたは3Dのエネルギデバイスである。慣習的なアンテナにおけるような、基板の外側にプリントされたアンテナに過ぎないものではなく、真の2D/3Dエネルギハーベスタである。本開示の、周波数選択性アンテナ技術は、多層材料の層内に組み込まれており、段ボール箱などのパッケージングのタイプを含んでいる。本アンテナ技術は、RFID及び発展したエレクトロニクスに給電するように、遠隔測定及びエネルギハーベスティングに関するRF受信の目的のための導電材料及び誘電材料を利用する。アンテナは、たとえば、915MHzまたは2.45GHzに関するRFエネルギハーベスティング機能を提供するなどの、エネルギハーベスティングまたは通信か、他の適切であるか利用可能な電磁エネルギ源のために使用することができる。 In some embodiments, the substrate material itself is a 2D or 3D energy device. It is a true 2D / 3D energy harvester, not just an antenna printed on the outside of the board, as in conventional antennas. The frequency selective antenna technology of the present disclosure is incorporated within a layer of a multilayer material and includes a type of packaging such as a cardboard box. The antenna technology utilizes conductive and dielectric materials for RF reception purposes for remote measurement and energy harvesting to power RFID and advanced electronics. Antennas can be used for energy harvesting or communication, or for other suitable or available electromagnetic energy sources, such as providing RF energy harvesting capabilities for 915 MHz or 2.45 GHz.

3Dの特徴を、アンテナ構成要素を曲げるなどにより、2Dアンテナに追加して、アンテナの受信を向上させることができることが知られている。しかし、曲げられた材料は、通常、曲げによって歪められた場合に、アンテナの入力インピーダンスが変化することから、抵抗値の低減に起因して、より高い損失を生じる。 It is known that the 3D feature can be added to the 2D antenna by bending the antenna component or the like to improve the reception of the antenna. However, bent materials typically result in higher losses due to the reduced resistance value due to changes in the input impedance of the antenna when distorted by bending.

本実施形態では、曲げられたアンテナ材料における抵抗値の低減は抑制されており、それにより、構造の曲げにより、マッチングアンテナ全体のインピーダンスを向上させるように調整することができる3Dの効果を提供するようになっており、全体の性能が向上する。ボール紙などの3D構造の層を、導電体及び誘電体として使用して、共振空洞を形成することにより、高い受信性能のみならず、複数の周波数を可能にする。3D構造を介して、結果として性能が向上すると、抵抗の制限を、構造の設計において緩和することができる。 In this embodiment, the reduction of resistance in the bent antenna material is suppressed, thereby providing a 3D effect that can be adjusted to improve the impedance of the entire matching antenna by bending the structure. The overall performance is improved. By using a layer of 3D structure such as cardboard as a conductor and a dielectric to form a resonant cavity, it enables not only high reception performance but also multiple frequencies. With the resulting improvement in performance via the 3D structure, resistance limitations can be relaxed in the design of the structure.

図12Aは、折り曲げられた逆Fアンテナ1200(FIFA)の斜視図を示しているが、基板に組み込むことができる3D構造として実施されている。図12Bは、部分側断面図である。アンテナアーム1210は、前述のような周波数選択性要素を伴って構成することができる、放射要素である。アンテナアーム1210は、基板1230の第1の層1231上の頂部金属被覆層1212と底部金属被覆層1214とから形成されている(明確化のために、図12Aでは基板1230が示されていないことに留意されたい)。スロット1216は、金属被覆層1212と金属被覆層1214との両方からエッチングされており、アンテナアーム1210をサブパッチ1218に分離している。3つのサブパッチ1218を形成する、層1212及び1214の各々の2つのスロット1216が、単純化のために、図12Bに示されているが、他の構成が可能である(たとえば、5つのサブパッチ、または、任意の適切な数のサブパッチ)。バイア1219が、金属被覆層1212と金属被覆層1214とを接続している。アンテナが適切に作動するために、アンテナアーム1210は、接地平面1240の上方の特定の高さに設けられており、供給ピン1280及び短絡ピン1290によって支持され、放射アンテナ要素1210の頂部金属被覆層1212と底部金属被覆層1214とを接続するとともに、下の接地平面1240へと繋がっている。接地平面1240は、図12Bには、基板1230の第2の層1232の内側表面上に示されているが、外側表面(すなわち、第2の層1232の外側表面)上にあるものとすることもできる。動作時には、リードワイヤ1285が、アンテナ1200からの出力信号を収集するように、供給ピン1280との電気接続を提供する。 FIG. 12A shows a perspective view of a folded inverted-F antenna 1200 (FIFA), but is implemented as a 3D structure that can be incorporated into a substrate. FIG. 12B is a partial side sectional view. The antenna arm 1210 is a radiating element that can be configured with the frequency selectivity element as described above. The antenna arm 1210 is formed from a top metal coating layer 1212 on a first layer 1231 of the substrate 1230 and a bottom metal coating layer 1214 (for clarity, the substrate 1230 is not shown in FIG. 12A. Please note). Slot 1216 is etched from both the metal coating layer 1212 and the metal coating layer 1214, separating the antenna arm 1210 into subpatches 1218. Two slots 1216 each of layers 1212 and 1214 forming the three subpatches 1218 are shown in FIG. 12B for simplicity, but other configurations are possible (eg, five subpatches, Or any suitable number of subpatches). A via 1219 connects the metal coating layer 1212 and the metal coating layer 1214. For proper operation of the antenna, the antenna arm 1210 is provided at a specific height above the ground plane 1240, is supported by feed pins 1280 and short circuit pins 1290, and is a top metal coating layer of the radiating antenna element 1210. The 1212 and the bottom metal coating layer 1214 are connected and connected to the ground plane 1240 below. The ground plane 1240, which is shown in FIG. 12B on the inner surface of the second layer 1232 of the substrate 1230, shall be on the outer surface (ie, the outer surface of the second layer 1232). You can also. During operation, the lead wire 1285 provides an electrical connection to the supply pin 1280 so that it collects the output signal from the antenna 1200.

図12Bでは、基板1230は、波状中間物として実施された3D構造である。たとえば、第1の層1231は、第1の線形ボードとすることができ、第2の層1232は、第
1の層1231上に積層された第2の線形ボードとすることができ、第1の層1231と第2の層1232との間の隙間Gには、中間層1233が存在する。中間層1233は、この実施形態では、縦溝のある、波状の層として示されている。基板1230の設計では、隙間Gは、アンテナアーム1210と接地平面1240との間の所望の高さに従ってカスタマイズすることができる。さらなる実施形態では、プリントされた誘電構成要素は、隙間G内にある、第1の層1231、第2の層1232、及び中間層1233の任意の層上など、アンテナ1200の集合的な静電容量を調整するように、隙間G内に挿入することができる。いくつかの実施形態では、中間層1233の各部は、レッグ要素を選択及び除外するように、電子回路に電気接続することができるように、導電材料でプリントすることができる。これらプリントされた導電要素1235a及び1235bの実施例が、中間層1233の、上方表面と下側表面とのそれぞれに示されている。
In FIG. 12B, the substrate 1230 is a 3D structure implemented as a wavy intermediate. For example, the first layer 1231 can be the first linear board, the second layer 1232 can be the second linear board laminated on the first layer 1231, and the first. There is an intermediate layer 1233 in the gap G between the layer 1231 and the second layer 1232. Intermediate layer 1233 is shown in this embodiment as a wavy layer with flutes. In the design of the substrate 1230, the gap G can be customized according to the desired height between the antenna arm 1210 and the ground plane 1240. In a further embodiment, the printed dielectric component is the collective capacitance of the antenna 1200, such as on any layer of the first layer 1231, the second layer 1232, and the intermediate layer 1233 within the gap G. It can be inserted into the gap G so as to adjust the capacitance. In some embodiments, each part of intermediate layer 1233 can be printed with a conductive material so that it can be electrically connected to an electronic circuit so as to select and exclude leg elements. Examples of these printed conductive elements 1235a and 1235b are shown on each of the upper and lower surfaces of the intermediate layer 1233.

いくつかの実施形態では、接地平面1240は、シールド要素として使用することができる。たとえば、基板1230が、輸送コンテナへと形成される段ボールである場合、基板1230は、第2の線形ボード1232が、箱の外部上にあるように、向けることができる。第2の線形ボード1232をカバーする接地平面1240を有する、コンテナの任意の部分は、コンテナ内の内容物のための電磁シールドを有することになる。接地平面1240が、図12Bに示すような第2の線形ボード1232の内側表面上か、第2の線形ボード1232の外側表面(第2の線形ボード1232の外側)上にある場合があることに留意されたい。 In some embodiments, the ground plane 1240 can be used as a shield element. For example, if the substrate 1230 is corrugated cardboard formed into a shipping container, the substrate 1230 can be oriented such that the second linear board 1232 is on the outside of the box. Any part of the container having a ground plane 1240 covering the second linear board 1232 will have an electromagnetic shield for the contents inside the container. The ground plane 1240 may be on the inner surface of the second linear board 1232 as shown in FIG. 12B or on the outer surface of the second linear board 1232 (outside the second linear board 1232). Please note.

図13は、Lスロットのデュアルバンドの平らな逆Fアンテナ(PIFA)1300の斜視図である。アンテナ1300は、アンテナアーム1310、接地平面1340、供給ピン1380、及び短絡回路プレート1390としての役割を果たす、矩形の平らな要素を含んでいる。短絡回路プレート1390は、図13では、複数の短絡回路ピンとして例示されている。平らな要素(アンテナアーム1310)と接地平面1340との間の短絡回路プレート1390は、通常、短絡される平らな要素の側部よりも狭い。LスロットのPIFAスタイルのアンテナアーム1310は、アンテナ1300が調整可能な共振周波数を有することを可能にするように、その中に組み込まれた周波数選択性レッグ要素を有することができる。アンテナ1300は、図12A及び図12Bに関して記載したものと類似の方式で、3D基板に組み込むこともできる。図13は、アンテナゲイン応答1303をも示している。アンテナゲイン応答1303では、アンテナ1300は、接地プレート1340に対して平行な平面において、放射方向において、一様に放射している。 FIG. 13 is a perspective view of a dual-band flat inverted-F antenna (PIFA) 1300 in the L slot. The antenna 1300 includes a rectangular flat element that serves as an antenna arm 1310, a ground plane 1340, a supply pin 1380, and a short circuit plate 1390. The short circuit plate 1390 is illustrated in FIG. 13 as a plurality of short circuit pins. The short circuit plate 1390 between the flat element (antenna arm 1310) and the ground plane 1340 is usually narrower than the side of the flat element to be shorted. The L-slot PIFA-style antenna arm 1310 can have a frequency selectivity leg element incorporated therein to allow the antenna 1300 to have an adjustable resonant frequency. The antenna 1300 can also be incorporated into a 3D substrate in a manner similar to that described with respect to FIGS. 12A and 12B. FIG. 13 also shows the antenna gain response 1303. In the antenna gain response 1303, the antenna 1300 radiates uniformly in the radial direction in a plane parallel to the ground plate 1340.

図14は、プリントされた、曲がった逆Fアンテナ1400の斜視図である。アンテナ1400は、誘電体1430上のエッチングされた金属線を有しており、曲げられた逆F形状のアンテナアーム1410を形成している。Fの外側の叉は、供給ピン1480により、誘電体1430の後面上に位置する接地平面(この図には見られない)の縁部に対して短絡している。接地平面は、誘電体の一セクション、すなわち、曲げられた逆Fのアーム1410の直下に来ないセクションをカバーしている。アンテナアーム1410は、供給ピン1480により、第2の叉において、接地平面の縁部に関して供給される。曲げられた逆Fのスタイルのアンテナアーム1410は、アンテナ1400が調整可能な共振周波数を有することを可能にするように、その中に組み込まれた周波数選択性レッグ要素を有することができる。アンテナ1400は、図12A及び図12Bに関して記載したものと類似の方式で、3D基板に組み込むこともできる。図14は、アンテナゲイン応答1403をも示している。アンテナゲイン応答1403では、アンテナ1400は、接地プレート1340に対して平行な平面において、放射方向において、一様に放射している。 FIG. 14 is a printed perspective view of the bent inverted F antenna 1400. Antenna 1400 has an etched metal wire on a dielectric 1430, forming a bent inverted F shaped antenna arm 1410. The outer fork of F is short-circuited by the supply pin 1480 to the edge of the ground plane (not seen in this figure) located on the rear surface of the dielectric 1430. The ground plane covers a section of the dielectric, i.e., a section that does not come directly under the bent inverted F arm 1410. The antenna arm 1410 is supplied by the supply pin 1480 at the second fork with respect to the edge of the ground plane. The bent inverted F style antenna arm 1410 can have a frequency selectivity leg element incorporated therein to allow the antenna 1400 to have an adjustable resonant frequency. Antenna 1400 can also be incorporated into a 3D substrate in a manner similar to that described with respect to FIGS. 12A and 12B. FIG. 14 also shows the antenna gain response 1403. In the antenna gain response 1403, the antenna 1400 radiates uniformly in the radial direction in a plane parallel to the ground plate 1340.

図15は、別の平らな逆Fアンテナ1500の斜視図を示している。この図では、このPIFAスタイルは、設計のさらに別の実施例であり、この設計には、周波数選択性レッ
グ要素を3D構造として組み込むことができる。アンテナ1500は、通常、アンテナアーム1510、接地平面1540、及び、平らな要素の短絡された側部の幅よりも狭い幅の短絡回路プレート1590としての役割を果たす、矩形の平らな要素を含んでいる。供給ピン1580も示されており、アンテナ1500によって受信される、周波数信号に関する供給ポイントとしての役割を果たす。アンテナゲイン応答1503aが、対応するS(1,1)の応答のプロットであるグラフ1503bで示されている。
FIG. 15 shows a perspective view of another flat inverted F antenna 1500. In this figure, this PIFA style is yet another embodiment of the design, in which the selectivity leg element can be incorporated as a 3D structure. The antenna 1500 typically includes an antenna arm 1510, a ground plane 1540, and a rectangular flat element that acts as a short circuit plate 1590 with a width narrower than the width of the shorted side of the flat element. There is. Supply pins 1580 are also shown and serve as supply points for frequency signals received by antenna 1500. The antenna gain response 1503a is shown in graph 1503b, which is a plot of the corresponding S (1,1) responses.

図16は、矩形の、電磁的に結合されたパッチアンテナ1600の斜視図である。EM結合したパッチアンテナ1600は、電磁的に結合したパッチ要素1610と供給ライン1680とを有している。パッチ要素1610は、2つの誘電体の基板1630の上方誘電体1631の頂部に位置している。2つの誘電体の基板1630は、下方誘電体1632をも含んでいる。供給ライン1680は、上方誘電体基板1631と下方誘電体基板1632との間にあり、パッチ1610の下に延びている。バンド幅は、厚い基板1630(2つの誘電構造が、単一の層よりも厚い)の頂部上にパッチ要素1610を有することによって向上され、一方、スプリアス放射が、接地平面1640の近くに位置する供給ライン1680を有することにより、制限されている。接地平面1640は、誘電体1632の後面上にある。周波数選択性レッグ要素は、パッチ要素1610に組み込むことができ、全体のアンテナ1600は、基板材料に組み込まれた3D構造として構築することができる。アンテナゲイン応答1603も示されている。 FIG. 16 is a perspective view of a rectangular, electromagnetically coupled patch antenna 1600. The EM-coupled patch antenna 1600 has an electromagnetically coupled patch element 1610 and a supply line 1680. The patch element 1610 is located on top of the upper dielectric 1631 of the two dielectric substrates 1630. The two dielectric substrates 1630 also include a lower dielectric 1632. The supply line 1680 is between the upper dielectric substrate 1631 and the lower dielectric substrate 1632 and extends under the patch 1610. Bandwidth is improved by having the patch element 1610 on top of a thick substrate 1630 (two dielectric structures thicker than a single layer), while spurious radiation is located near the ground plane 1640. Limited by having a supply line 1680. The ground plane 1640 is on the rear surface of the dielectric 1632. The frequency selectivity leg element can be incorporated into the patch element 1610 and the entire antenna 1600 can be constructed as a 3D structure incorporated into the substrate material. Antenna gain response 1603 is also shown.

図12A/Bから図16は、本開示の周波数選択性レッグ要素を、3D構造として組み込むことができる、既知のタイプのアンテナの実施例である。いくつかの実施形態では、3D構造は、波状中間物など、多層の基板に実施することができる。使用される場合がある、波状構造の実施例には、単一の面、単一の壁、2つの壁、及び3つの壁が含まれる。単一の層、2つの層、または、さらに多くの層を、高受信アンテナシステムとなるように、追加することができる。基板の構成要素上に個別に堆積された層は、最終的な構造へと、積層するか接着することができる。いくつかの実施形態では、基板層をともに接着するために使用される接着剤も、中間層内のプリントされた誘電体の使用などにより、アンテナの集合的な静電容量を変更することによって、アンテナの周波数応答を調整するために利用することができる。 12A / 12B to 16 are examples of known types of antennas that can incorporate the selectivity leg elements of the present disclosure as a 3D structure. In some embodiments, the 3D structure can be implemented on a multi-layered substrate, such as a wavy intermediate. Examples of wavy structures that may be used include a single face, a single wall, two walls, and three walls. A single layer, two layers, or even more layers can be added to result in a high receive antenna system. Layers individually deposited on the components of the substrate can be laminated or adhered to the final structure. In some embodiments, the adhesive used to bond the substrate layers together is also by changing the collective capacitance of the antenna, such as by using a printed dielectric in the intermediate layer. It can be used to adjust the frequency response of the antenna.

図12Bによって示されるものなどの、いくつかの実施形態では、アンテナのための基板には、第1の層と、この第1の層に積層された第2の層と、第1の層と第2の層との間の隙間にある中間層とが含まれている。複数のレッグ要素は、第1の層上にあり、この複数のレッグ要素が、アンテナの第1のアンテナアームを形成している。アンテナは、第2の層上の第2のアンテナアーム(たとえば、ダイポールアンテナのための接地平面)と、中間層上の導電体(たとえば、導電要素1235a及び1235b)とをさらに含み、導電体が、第2のアンテナアームを複数のレッグ要素に電気的に結合している。特定の実施形態では、多層基板は、ボール紙とすることができ、中間層は、波状中間物である。いくつかの実施形態では、基板の第1の層と第2の層との間の隙間は、第1のアンテナアームと第2のアンテナアームとの間の誘電体としての役割を果たす。いくつかの実施形態では、隙間の特性は、アンテナの作用に影響するようにカスタマイズすることができる。たとえば、隙間の距離、及び、隙間内の物質(たとえば、空気、中間層のための基板材料、及び、隙間に挿入される誘電体)の特性は、アンテナの静電容量の影響、そしてひいては、アンテナの周波数応答を変更することができる。 In some embodiments, such as those shown by FIG. 12B, the substrate for the antenna comprises a first layer, a second layer laminated on the first layer, and a first layer. It includes an intermediate layer in the gap between it and the second layer. The plurality of leg elements are on the first layer, and the plurality of leg elements form the first antenna arm of the antenna. The antenna further comprises a second antenna arm on the second layer (eg, a ground plane for a dipole antenna) and a conductor on the intermediate layer (eg, conductive elements 1235a and 1235b), wherein the conductor is , The second antenna arm is electrically coupled to a plurality of leg elements. In certain embodiments, the multilayer substrate can be cardboard and the intermediate layer is a wavy intermediate. In some embodiments, the gap between the first and second layers of the substrate serves as a dielectric between the first antenna arm and the second antenna arm. In some embodiments, the clearance characteristics can be customized to affect the action of the antenna. For example, the distance of the gap and the characteristics of the material in the gap (eg air, substrate material for the intermediate layer, and the dielectric inserted in the gap) are affected by the capacitance of the antenna and thus the capacitance of the antenna. The frequency response of the antenna can be changed.

一般的な波状中間物にある、縦溝の構成(波の平面に対して垂直なz方向に延びるx−y平面内の波のパターン)など、様々なタイプの3Dの特徴が、基板で利用され得る。しかし、x方向、y方向、及びz方向における波、または、様々なタイプの波のパターンなど、他の3Dの特徴が可能である。概して、本開示の実施形態で使用される3Dの特徴は
、シャープな縁部がアンテナ内の電気経路における不連続部を生じることから、湾曲した遷移部を有するものとする。いくつかの実施形態では、基板の3Dの特徴は、アンテナの共振周波数にも寄与するようにも設計することができる。たとえば、中間層が、切替回路への電気接続としての役割を果たすように、この中間層上にプリントされた電気伝導線を有する場合、波の周期は、採取されるか送信されることが望まれている共振周波数に従って設計することができる。
Various types of 3D features, such as flute configurations (wave patterns in the xy plane extending in the z direction perpendicular to the wave plane) found in common wavy intermediates, are used in the substrate. Can be done. However, other 3D features such as waves in the x, y, and z directions, or various types of wave patterns are possible. In general, the 3D feature used in the embodiments of the present disclosure is to have a curved transition because the sharp edges create discontinuities in the electrical path within the antenna. In some embodiments, the 3D features of the substrate can also be designed to contribute to the resonant frequency of the antenna. For example, if the intermediate layer has electrical conduction wires printed on it so that it acts as an electrical connection to the switching circuit, the wave period is expected to be captured or transmitted. It can be designed according to the resonance frequency that is being used.

パッケージング材料を実施例として使用すると、本アンテナをパッケージングコンテナに組み込むことにより、エネルギハーベスティングに関する機能性を著しく増大させることが可能になる。サンプルの構成として、80%のエリアに、アンテナ材料が組み込まれている、1ftの側部を有する小さいボックスに関し、パッケージングコンテナは、約2.6ボルトにおいて、0.5ミリアンペアから1ミリアンペアの大きさで提供することができる。貯蔵デバイスを低コストの超コンデンサのように使用することで、この電流量が、慣習的なエネルギハーベスティングデバイスよりも著しく多くの機能(メモリを含む)に給電することができる。向上された機能性の用途の実施例は、輸送の間、パッケージの温度を記録することである。 Using the packaging material as an example, it is possible to significantly increase the functionality associated with energy harvesting by incorporating the antenna into a packaging container. As a sample configuration, for a small box with 1ft 2 sides with antenna material incorporated in 80% of the area, the packaging container is 0.5mA to 1mA at about 2.6V. Can be provided in size. By using the storage device like a low-cost supercapacitor, this amount of current can power significantly more functions (including memory) than conventional energy harvesting devices. An embodiment of the improved functionality application is to record the temperature of the package during transport.

3Dプリントアンテナの製造
図17は、プリントされた、周波数選択性アンテナを製造するための例示的なプロセスの概略図である。図17の概略図は、3Dアンテナのパッケージング材料を示しているが、このプロセスは、2D(たとえば、単一層)の基板にも適用される。図18は、対応するフローチャートである。図17及び図18のいくつかの実施形態では、エネルギハーベスティングデバイスは、プリントされたパッケージング材料を含んでおり、電気伝導性材料は、パッケージング材料シートにプリントされている。プリントされたパッケージング材料は、パッケージングコンテナに形成される。
Manufacture of 3D Printed Antenna Figure 17 is a schematic of an exemplary process for manufacturing a printed, frequency-selective antenna. The schematic of FIG. 17 shows the packaging material for a 3D antenna, but this process also applies to 2D (eg, single layer) substrates. FIG. 18 is a corresponding flowchart. In some embodiments of FIGS. 17 and 18, the energy harvesting device comprises a printed packaging material and the electrically conductive material is printed on a packaging material sheet. The printed packaging material is formed in a packaging container.

図17の実施例では、基板材料は、カードストック1720であり、このカードストック1720上に、マルチジェットフュージョンプロセス1710を使用することなどにより、アンテナ材料がプリントされる。図17の実施形態では、プリントされたカードストックが波状にされ、最終的な構造の層が、接着などにより、プロセス1730において組み立てられる。プロセス1730は、第1のライナ1731、波状ローラ1732、接着剤塗布機1733、圧力ローラ1734、ヒータローラ1735、及び第2のライナ1736を示している。第1のライナ1731は、図12Bの中間層1233に対応しており、第2のライナ1736は、図12Bの第1の層1231または第2の層1232とすることができる。別のライナ(図示せず)が、図12Bの他のライナ(第2の層1232または第1の層1231)を形成するために追加される。 In the embodiment of FIG. 17, the substrate material is a card stock 1720, and the antenna material is printed on the card stock 1720 by using a multi-jet fusion process 1710 or the like. In the embodiment of FIG. 17, the printed cardstock is wavy and layers of the final structure are assembled in process 1730, such as by gluing. The process 1730 shows a first liner 1731, a wavy roller 1732, an adhesive coating machine 1733, a pressure roller 1734, a heater roller 1735, and a second liner 1736. The first liner 1731 corresponds to the intermediate layer 1233 of FIG. 12B, and the second liner 1736 can be the first layer 1231 or the second layer 1232 of FIG. 12B. Another liner (not shown) is added to form the other liner in FIG. 12B (second layer 1232 or first layer 1231).

概略的な実施形態では、プリントされたパッケージング材料は、複数の層を含むことができ、ここで、組み立てられた層は、共振空洞を形成することなどにより、アンテナの共振周波数に影響する寸法及び材料特性を有することができる。結果として得られるパッケージング1740は、図17に示す段ボールコンテナなど、3Dエネルギハーベスティングデバイス(または、送信及び/または受信デバイス)である。様々な実施形態では、より大であるエリアが利用可能であることに起因して、平らなアンテナを使用することができ、あるいは、多層(3D)デバイスを、用途に応じて使用することができる。 In a schematic embodiment, the printed packaging material can include multiple layers, where the assembled layers are dimensions that affect the resonant frequency of the antenna, such as by forming resonant cavities. And can have material properties. The resulting packaging 1740 is a 3D energy harvesting device (or transmit and / or receive device), such as the corrugated cardboard container shown in FIG. In various embodiments, flat antennas can be used due to the availability of larger areas, or multi-layer (3D) devices can be used depending on the application. ..

いくつかの実施形態では、アンテナがプリントされる基板は、シートまたはフィルムの形態の、紙ベースまたはプラスチックベースの基板など、室温におけるその自然な状態では、柔軟性がある。いくつかの実施形態では、基板は、ガラスまたはプラスチック材料に関する加熱された状態など、1つの状態では、所望の3Dの何学形状に形成することができるが、基板は、室温においては、固くなり、柔軟性がなくなる。様々な実施形態では、
基板は、パッケージング、ラベル、チケット、及び識別カードなどの用途で使用するための、使い捨てにできる、及び/または、生物分解性である、低コストの材料とすることができる。紙、またはプラスチックの基板が、これら低コストの用途では特に有用であり得る。
In some embodiments, the substrate on which the antenna is printed is flexible in its natural state at room temperature, such as a paper-based or plastic-based substrate in the form of a sheet or film. In some embodiments, the substrate can be formed into the desired 3D learning shape in one condition, such as in a heated state with respect to a glass or plastic material, but the substrate becomes stiff at room temperature. , Inflexible. In various embodiments,
The substrate can be a disposable and / or biodegradable, low cost material for use in applications such as packaging, labels, tickets, and identification cards. Paper or plastic substrates can be particularly useful in these low cost applications.

図18は、たとえば、エネルギハーベスティングシステムとすることができる、周波数選択性アンテナシステムを製造するための例示的方法のフローチャート1800である。ステップ1810では、基板が提供される。基板は、単一層の材料とすることができるか、3D構造を有する多層材料とすることができる。ステップ1820は、導電インクを使用して基板上にアンテナをプリントすることを含んでおり、アンテナは、連続した経路を形成する複数のレッグ要素を備えている。複数のレッグ要素の各々は、アンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか、除外可能であり、選択されたレッグ要素は、共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する。アンテナは、基板材料の単一の表面上にプリントされた平らなアンテナとすることができるか、様々なアンテナ構成要素が基板の層内に組み込まれた3D構造とすることができる。選択可能/除外可能なレッグ要素は、材料チューニング(たとえば、インクに使用される導電材料のタイプ、及び/または、透磁率、誘電率、及び導電率などの材料特性の調整)、電子的に切替え可能な接続、プリントされた誘電要素、レッグ要素の寸法(たとえば、テーパが付された幅)、またはこれらの任意の組合せを使用して、様々な共振周波数の閾値に関して調整することができる。1820におけるプリントには、いくつかの実施形態では、誘電インクを使用した誘電構成要素をプリントすることを含むことができる。 FIG. 18 is a flowchart 1800 of an exemplary method for manufacturing a selectivity antenna system, which can be, for example, an energy harvesting system. In step 1810, a substrate is provided. The substrate can be a single layer material or a multi-layer material with a 3D structure. Step 1820 comprises printing the antenna onto a substrate using conductive ink, the antenna comprising a plurality of leg elements forming a continuous path. Each of the plurality of leg elements can be individually selected or excluded so as to change the resonant frequency of the antenna, and the selected leg elements form an antenna path length corresponding to the resonant frequency. The antenna can be a flat antenna printed on a single surface of the substrate material, or it can be a 3D structure with various antenna components incorporated within a layer of the substrate. Selectable / excludeable leg elements are material tuned (eg, the type of conductive material used in the ink and / or adjustment of material properties such as permeability, dielectric constant, and conductivity), electronically switched. Possible connections, printed dielectric elements, leg element dimensions (eg, tapered widths), or any combination thereof can be used to adjust for various resonant frequency thresholds. Printing in 1820 can include, in some embodiments, printing a dielectric component using a dielectric ink.

レッグ要素が動的に選択可能/除外可能である実施形態に関し、ステップ1830では、電子回路が、アンテナに結合されている。電子回路は、アンテナのレッグ要素に対する接続部を有し、それにより、レッグ要素を個別に制御することができるようになっている。電子回路は、周囲の環境内の利用可能な周波数をサーチし、各周波数の電力レベルを分析することができる。いくつかの実施形態では、電子回路は、どの周波数がもっとも強力な電力源となるかに基づき、ターゲットとなる共振周波数を選択する場合がある。他の実施形態では、電子回路は、電子回路及びアンテナに関連付けられたユーザまたはデバイスによって受信されるように、特性を持たせられた波長に従って、ターゲットとなる共振周波数を選択する場合がある。アンテナがエネルギハーベスティングアンテナである実施形態では、本方法は、エネルギ貯蔵構成要素をアンテナに結合することを伴う、ステップ1840をも含んでいる。エネルギ貯蔵構成要素は、アンテナによって受信されたエネルギを貯蔵し、また、たとえば、バッテリまたはコンデンサとすることができる。ステップ1850では、デバイスは、エネルギ貯蔵構成要素に結合されており、それにより、デバイスには、アンテナによって採取されたエネルギによって給電することができるようになっている。 For embodiments where the leg elements are dynamically selectable / exclude, in step 1830 an electronic circuit is coupled to the antenna. The electronic circuit has a connection to the leg element of the antenna, whereby the leg element can be controlled individually. The electronic circuit can search for available frequencies in the surrounding environment and analyze the power level of each frequency. In some embodiments, the electronic circuit may select the target resonant frequency based on which frequency is the most powerful source of power. In other embodiments, the electronic circuit may select a targeted resonant frequency according to a characterized wavelength so that it can be received by the user or device associated with the electronic circuit and antenna. In embodiments where the antenna is an energy harvesting antenna, the method also includes step 1840, which involves coupling an energy storage component to the antenna. The energy storage component stores the energy received by the antenna and can also be, for example, a battery or a capacitor. At step 1850, the device is coupled to an energy storage component, which allows the device to be powered by the energy harvested by the antenna.

プリントインク
慣習的な銀またはカーボンのインクを含む、様々なタイプのインクを、本発明のアンテナシステムをプリントするために使用することができる。いくつかの実施形態では、アンテナをプリントするためのインクは、高い導電率を得るように、カーボン(たとえば、グラフェンなど)と金属との混合物とすることができる。いくつかの実施形態では、アンテナは、新規のマイクロ波プラズマ及び熱分解の設備及び方法によって形成された、特徴的なカーボン材料、及び、カーボン材料の複合材料を含む、プリント可能な導電性カーボンで形成されている。このカーボン材料は、たとえば、「Carbon Allotropes」と題する、米国特許第9,862,606号、及び、「Seedless Particles with Carbon Allotropes」と題する、米国特許出願第15/711,620号に開示されたカーボン材料などである。これら文献の両方は、本出願の出願人が所有しており、本明細書により、参照することによって完全に組み込
まれる。プリント構成要素の様々な実施形態のためのカーボン材料のタイプには、限定ではないが、多層フラーレン、グラフェン、グラフェンオキシド、硫黄ベースのカーボン(たとえば、硫黄が溶け、散乱したカーボン)、及び、金属を含むカーボン(たとえば、ニッケルが注入されたカーボン、銀のナノ粒子を有するカーボン、金属を有するグラフェン)が含まれる。グラフェン及び/またはカーボンナノオニオンなどの、明確な構造を有するカーボンの混合物も、使用することができる。2つ以上のタイプのカーボンを、材料特性、そしてひいては、各レッグ要素の共振周波数の閾値をチューニングするために、アンテナのレッグ要素に利用することができる。
Print Inks Various types of inks, including customary silver or carbon inks, can be used to print the antenna system of the present invention. In some embodiments, the ink for printing the antenna can be a mixture of carbon (eg, graphene) and metal to obtain high conductivity. In some embodiments, the antenna is made of printable conductive carbon, including characteristic carbon materials formed by novel microwave plasma and pyrolysis equipment and methods, and composites of carbon materials. It is formed. This carbon material was disclosed, for example, in US Pat. No. 9,862,606, entitled "Carbon Allotropes," and US Patent Application No. 15 / 711,620, entitled "Seedless Particles with Carbon Allotropes." For example, carbon material. Both of these documents are owned by the applicant of this application and are incorporated herein by reference in their entirety. The types of carbon materials for the various embodiments of the printed components are, but are not limited to, multi-layer fullerenes, graphene, graphene oxide, sulfur-based carbon (eg, carbon in which sulfur is dissolved and scattered), and metals. Includes carbon (eg, carbon infused with nickel, carbon with silver nanoparticles, graphene with metal). Mixtures of carbon with a well-defined structure, such as graphene and / or carbon nanoonions, can also be used. Two or more types of carbon can be used for the leg element of the antenna to tune the material properties and thus the threshold of the resonant frequency of each leg element.

いくつかの実施形態では、インクは、チューニング可能な、多層の球形のフラーレン、及びそのハイブリッドの形態を含み、フラーレンは、このフラーレンを提供するために使用される分解プロセスのパラメータ(たとえば、熱分解またはマイクロウェーブの分解)によってチューニング可能である、物理的構造を有している。慣習的なカーボンインクを、高度に導電性とすることができるが、いくつかの従来の材料は、高いゲインで、低コストで、プリント可能なデバイスを真に提供するために必要である、固有の静電容量特性及び誘電特性が欠如している。さらに、これら材料で通常は見られる高レベルの不純物は、1)信号のRF及び電力のRFの送信及び受信の、固有の周波数を動的に制御及びチューニングすること、2)単一、または複数のデバイスに向けて、所望の方向(複数可)で、RFエネルギを動的に向ける能力を可能にすること、ならびに、3)2つ以上のデバイス間での通信と、電力の送信との、両方をサポートするために、実質的なレベルに全体のゲインを向上させることのために、他の材料との継続的なドーピングまたは組込みを防止する。本実施形態では、チューニング可能であるカーボンは、幅広い様々な適切な基板上に効果的にプリントされる一方で、幅広い様々な適用可能なインクの組成に組み込むことができ、また、これら障害を克服するために必要な性能を提供することができる。これらカーボン材料及びアンテナは、多様な機能をサポートすることもできる。様々な目的の形態のRFの、同時の、または複合的な送信と受信とを、切替え要素及び/または一次的な変調を使用して、エネルギハーベスティング、信号送信、またはその両方に利用することができる。制御ハードウェアの補助により、これらアンテナは、信号の暗号解読に加え、ベースキャリアまたは側波帯の周波数エネルギの実際のハーベスティングをサポートすることができる。 In some embodiments, the ink comprises a tunable, multi-layered spherical fullerene, and a hybrid form thereof, wherein the fullerene is a parameter of the decomposition process used to provide this fullerene (eg, thermal decomposition). Or it has a physical structure that can be tuned by (microwave decomposition). Conventional carbon inks can be highly conductive, but some conventional materials are unique and necessary to truly provide a printable device with high gain, low cost. Capacitance and dielectric properties are lacking. In addition, the high levels of impurities commonly found in these materials are 1) dynamically controlling and tuning the inherent frequencies of the transmission and reception of signal RF and power RF, and 2) single or multiple. Allows the ability to dynamically direct RF energy in the desired direction (s) towards the device, and 3) communication between two or more devices and transmission of power. To support both, prevent continuous doping or incorporation with other materials in order to improve the overall gain to a substantial level. In this embodiment, the tunable carbon can be effectively printed on a wide variety of suitable substrates while being incorporated into a wide variety of applicable ink compositions and overcoming these obstacles. Can provide the performance required to do so. These carbon materials and antennas can also support a variety of functions. Utilizing simultaneous or combined transmission and reception of various forms of RF for energy harvesting, signal transmission, or both, using switching elements and / or primary modulation. Can be done. With the help of control hardware, these antennas can support the actual harvesting of base carrier or sideband frequency energy, in addition to signal decryption.

いくつかの実施形態では、プリント可能なインクは、視覚的ディスプレイ構成要素上の材料の層内で使用するためのものなど、透過性である。 In some embodiments, the printable ink is transparent, such as for use within a layer of material on a visual display component.

いくつかの実施形態では、誘電インクは、本開示において前述したように、本アンテナシステムにおいて誘電要素をプリントするために使用される場合がある。誘電インクのための誘電材料の実施例には、限定ではないが、無機誘電体(たとえば、酸化アルミニウム、タンタル酸化物、及び二酸化チタン)、ならびに、ポリマ誘電体(たとえば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、高密度ポリエチレン(HDPE)、及びポリカーボネート)が含まれる。 In some embodiments, the dielectric ink may be used to print the dielectric element in the antenna system, as described above in the present disclosure. Examples of dielectric materials for dielectric inks include, but are not limited to, inorganic dielectrics (eg, aluminum oxide, tantalum oxide, and titanium dioxide), and polymer dielectrics (eg, polytetrafluoroethylene (PTFE)). ), High Density Polyethylene (HDPE), and Polycarbonate).

いくつかの実施形態では、磁気誘電(MD)インクは、アンテナ要素を形成するために、本アンテナシステムで使用することができる。磁気誘電インクは、基板とプリントアンテナとの間の層を形成するためにも使用することができ、アンテナ効率の向上、及び、アンテナの小型化を可能にし、また、アンテナが任意のタイプの基板上で動作できるように、デカップリング材料としての役割を果たす。材料における、アンテナの小型化技術は、アンテナサイズにおける、材料の電磁パラメータの影響に基づいている。電気的波長λは、以下のように、屈折率の値に反比例する。 In some embodiments, the magnetic dielectric (MD) ink can be used in the present antenna system to form the antenna element. Magnetic dielectric ink can also be used to form a layer between the substrate and the printed antenna, allowing for improved antenna efficiency and miniaturization of the antenna, as well as any type of substrate for the antenna. Serves as a decoupling material so that it can operate on. Antenna miniaturization techniques in materials are based on the influence of the material's electromagnetic parameters on antenna size. The electrical wavelength λ is inversely proportional to the value of the refractive index as follows.

Figure 2022003798
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方程式6では、cは光速であり、fはアンテナの共振周波数である。方程式7は、誘電率εと透磁率μとの各々が、実数部分(ε’及びμ’)と虚数部分(ε’’及びμ’’)とを有し、虚数部分は、周波数に関することを示している。方程式6に見ることができるように、材料の特性により、所与の共振周波数に関するアンテナのサイズを判定することができる。慣習的に、アンテナ基板またはスーパーストレートのための高誘電率の材料は、アンテナの小型化のために使用される。しかし、基板材料の相対誘電率を増大させることには、バンド幅が狭く、効率が低い欠点がある。これら欠点は、電界が、高誘電率の領域に残り、発散されないという事実から来ている。高い誘電率の媒体内の低い特性インピーダンスも、インピーダンスマッチングに関する問題に繋がる。 In equation 6, c is the speed of light and fr is the resonance frequency of the antenna. Equation 7 states that each of the permittivity ε and the magnetic permeability μ has a real part (ε'and μ') and an imaginary part (ε'' and μ''), and the imaginary part relates to frequency. Shows. As can be seen in Equation 6, the properties of the material can be used to determine the size of the antenna for a given resonant frequency. By convention, high dielectric constant materials for antenna substrates or super straights are used for antenna miniaturization. However, increasing the relative permittivity of the substrate material has the disadvantages of narrow bandwidth and low efficiency. These drawbacks come from the fact that the electric field remains in the high dielectric constant region and is not diverged. Low characteristic impedances in media with high dielectric constants also lead to impedance matching problems.

対照的に、1より大のε及びμを有するMD材料は、高誘電率の材料上のアンテナよりも良好なアンテナ性能を伴って、アンテナサイズを低減することができる。既知の研究によれば、相対的な透磁率を適切に増大させることにより、マイクロストリップアンテナのサイズが効率的に低減されることに繋がる。インピーダンスのバンド幅は、小型化の後に維持することができる。キャビティモデルを使用することで、損失の多いMD材料上に置かれたパッチアンテナの放射効率及びバンド幅は、これらMD材料が、アンテナサイズの低減において、有効でであることが示されている。この技術から、相対的な誘電率が、放射効率及びバンド幅に負の影響を有し、一方、相対的な透磁率は、放射効率とバンド幅との両方に正の影響がある。MD材料の様々なアンテナ設計により、アンテナの放射効率及びバンド幅を損なうことなく、アンテナサイズを低減することができることが示されている。本実施形態は、特定の構成に関する透磁率及び誘電率の材料特性を一意的にチューニングすることにより、磁気誘電材料の使用を、アンテナ設計にさらに適用することができる。たとえば、MD材料特性は、アンテナレッグ要素に関する特定の共振周波数を有するように、または、MD要素を、アンテナ要素と基板との間のデカップリング層とするように、チューニングすることができる。 In contrast, MD materials with greater than 1 ε r and μ r can reduce antenna size with better antenna performance than antennas on high dielectric constant materials. Known studies have shown that adequately increasing relative permeability leads to an efficient reduction in the size of microstrip antennas. Impedance bandwidth can be maintained after miniaturization. By using the cavity model, the radiation efficiency and bandwidth of the patch antenna placed on the lossy MD material has shown that these MD materials are effective in reducing the antenna size. From this technique, relative permittivity has a negative effect on radiation efficiency and bandwidth, while relative permeability has a positive effect on both radiation efficiency and bandwidth. It has been shown that various antenna designs of MD materials can reduce antenna size without compromising antenna radiation efficiency and bandwidth. The present embodiment can further apply the use of magnetic dielectric materials to antenna design by uniquely tuning the material properties of magnetic permeability and dielectric constant for a particular configuration. For example, MD material properties can be tuned to have a particular resonant frequency with respect to the antenna leg element, or to make the MD element a decoupling layer between the antenna element and the substrate.

図19は、導電性コーティングを様々な紙上に使用した、複数のテストサンプルに関する電気抵抗(オーム)の従来技術からのグラフ1900である。グラフ1900のX軸によって示すように、複数のサンプルをテストした。コーティングは、コート紙(カーブ1910)、クラフト紙(カーブ1920)、様々なタイプの段ボール(E段(カーブ1930)、B段(カーブ1940)、及びC段(カーブ1950))、ならびに、商業用のラベル(カーブ1960)上に直接プリントした。このグラフ1900は、異なる紙上の同じ導電性コーティングが、抵抗値に大きく影響することを示している。前述の方程式1に関し、ハーベスティングの効率は、抵抗値に大きく依存している。実験により、より低い抵抗値が、より良好なハーベスティングアンテナの性能を提供することが明確に示されている。通常、ボール紙上に直接プリントされた材料は、より高い抵抗値をもたらす。本開示のいくつかの実施形態では、上述の特有のカーボンを特に使用する、特定のインク材料の使用が、この課題を解決する。いくつかの実施形態では、アンテナ材料のためのインクは、様々な紙のタイプに関し、低い抵抗値を達成するようにチューニングすることができる。 FIG. 19 is a graph 1900 from the prior art of electrical resistance (ohms) for multiple test samples using conductive coatings on various papers. Multiple samples were tested, as shown by the X-axis of Graph 1900. Coatings include coated paper (curve 1910), kraft paper (curve 1920), various types of corrugated board (E tier (curve 1930), B tier (curve 1940), and C tier (curve 1950)), as well as commercial use. Printed directly on the label (Curve 1960). This graph 1900 shows that the same conductive coating on different papers has a significant effect on resistance values. With respect to the above equation 1, the efficiency of harvesting largely depends on the resistance value. Experiments have clearly shown that lower resistance values provide better harvesting antenna performance. Materials printed directly on cardboard usually result in higher resistance. In some embodiments of the present disclosure, the use of a particular ink material, which specifically uses the specific carbons described above, solves this problem. In some embodiments, the ink for the antenna material can be tuned to achieve low resistance values for different paper types.

チューニング回路
いくつかの実施形態では、エネルギハーベスティングの回路もしくはデバイス、または、電子デバイス全体の性能は、継続的に、または、所定の頻度もしくはインターバルで実施される、エネルギハーベスティングの最適化手順によって最適化される。そのようなチューニング回路のソフトウェア及び/またはハードウェアの構成要素は、採取されたエネルギの、絶対的な入力エネルギレベル(または、このエネルギから発生する電気電力レベル)を監視または判定する。ソフトウェア及び/またはハードウェアの構成要素は、利用可能であるもっとも高いエネルギ入力レベルに関する、動作可能な電圧のサーチを実施するように、インピーダンスマッチング構成要素、アンテナ構造要素、及び負荷要素を調整もする。たとえば、利用可能なもっとも高いエネルギ入力レベルを探す入力/出力(I/O)制御は、アンテナ要素のレッグ、アンテナインピーダンスマッチング要素、負荷マッチング要素、またはこれら要素の任意の組合せを、システム回路に入れるように、または回路から外すように切り替えることによって実施することができ、その後に、上述のように、貯蔵されたエネルギレベル、及び/または、減少量のインジケータをチェックする。もっとも高いエネルギ入力レベルに繋がる、これら要素の構成は、こうして、エネルギハーベスティングの最適化手順が繰り返されるまで、エネルギハーベスティングの回路またはデバイス、及び、電子デバイス全体の動作のために選択される。電子回路が、エネルギハーベスティングに関して記載されているが、他の実施形態では、電子回路は、ユーザによって設計されるようなもの、または、電子回路が関連付けられるデバイスなど、受信されることになる特定の周波数をサーチすることができる。
Tuning Circuit In some embodiments, the performance of the energy harvesting circuit or device, or the entire electronic device, is performed continuously or by a predetermined frequency or interval, depending on the energy harvesting optimization procedure. Optimized. Software and / or hardware components of such tuning circuits monitor or determine the absolute input energy level (or the level of electrical power generated from this energy) of the harvested energy. Software and / or hardware components also adjust impedance matching components, antenna components, and load components to perform a search for operational voltages for the highest energy input levels available. .. For example, input / output (I / O) control looking for the highest energy input level available puts the legs of the antenna element, the antenna impedance matching element, the load matching element, or any combination of these elements into the system circuit. It can be done as such or by switching off the circuit, after which the stored energy level and / or the indicator of the amount of reduction is checked, as described above. The configuration of these elements, which leads to the highest energy input level, is thus selected for the operation of the energy harvesting circuit or device, as well as the electronic device as a whole, until the energy harvesting optimization procedure is repeated. The electronic circuit is described with respect to energy harvesting, but in other embodiments, the electronic circuit is specified to be received, such as one designed by a user or a device with which the electronic circuit is associated. You can search for the frequency of.

図20は、エネルギハーベスティングの最適化を制御するための回路及びプロセッサを含む、電子回路2000の実施形態を示している。電子回路2000は、たとえば、マイクロプロセッサとすることができる。電子回路2000は、周囲の環境内の、複数の利用可能な周波数を識別し、この複数の利用可能な周波数の電力レベルに基づき、所望の周波数を設定する、周波数識別回路2010を含んでいる。電子回路2000はまた、複数のレッグ要素を選択または除外するように、アンテナ2050内のレッグ要素の個別の接続部と通信する、切替回路2020を含んでいる。こうして、電子回路2000は、様々なアンテナレッグ要素、及び、電子回路2000内に同様に存在する場合もある様々なインピーダンスマッチング要素、または電子回路2000内に同様に存在する場合もある負荷マッチング要素2030を入れる、及び/または外すように切り替える(すなわち、電気的に短絡させて外すか、直列または並列にともに接続する)。この方式で、エネルギハーベスティングの最適化手順の下で動作するソフトウェア及び/またはハードウェアの構成要素は、アンテナレッグ要素に関する、一連の様々な接続部の構成を生み出す。電子回路2000は、インピーダンスマッチング要素及び負荷を制御すること、ならびに、各構成に関する採取されたエネルギの絶対的な入力エネルギレベルを判定することもできる。アンテナ2050が、エネルギハーベスティングアンテナである実施形態では、システムは、アンテナ2050が受信したエネルギを貯蔵するために使用することができるエネルギ貯蔵構成要素2060をも含んでいる。エネルギ貯蔵構成要素2060は、たとえば、バッテリまたはコンデンサとすることができる。エネルギ貯蔵構成要素2060は、アンテナ2050によって採取されたエネルギによって給電される、デバイス2070に接続されている。 FIG. 20 shows an embodiment of electronic circuit 2000, including circuits and processors for controlling energy harvesting optimization. The electronic circuit 2000 can be, for example, a microprocessor. The electronic circuit 2000 includes a frequency identification circuit 2010 that identifies a plurality of available frequencies in the surrounding environment and sets a desired frequency based on the power level of the plurality of available frequencies. The electronic circuit 2000 also includes a switching circuit 2020 that communicates with individual connections of the leg elements within the antenna 2050 so as to select or exclude multiple leg elements. Thus, the electronic circuit 2000 has various antenna leg elements and various impedance matching elements that may also be present in the electronic circuit 2000, or load matching elements 2030 which may also be present in the electronic circuit 2000. Switch to on and off (ie, electrically short-circuit and disconnect, or connect in series or in parallel). In this manner, the software and / or hardware components operating under the energy harvesting optimization procedure produce a series of various connection configurations for the antenna leg components. The electronic circuit 2000 can also control impedance matching elements and loads, as well as determine the absolute input energy level of the energy harvested for each configuration. In embodiments where the antenna 2050 is an energy harvesting antenna, the system also includes an energy storage component 2060 that can be used to store the energy received by the antenna 2050. The energy storage component 2060 can be, for example, a battery or a capacitor. The energy storage component 2060 is connected to the device 2070, which is powered by the energy harvested by the antenna 2050.

異なる構成のために、これらアンテナレッグ要素及びインピーダンスマッチング要素を入れる、及び/または外すように切り替えることは、図21の例示的グラフ2100に示すように、様々なバンド幅及び周波数の受信を達成する。図21では、実線2110と破線2120とが、異なる最大のエネルギハーベスティングの状況に関する、2つの例示的な構成の結果を示している。所与のエネルギハーベスティングの状況に関する、もっとも高いエネルギ入力レベルに繋がる構成は、こうして、電力が供給される、エネルギハーベ
スティングの回路またはデバイス、及び、電子デバイス全体の動作のために選択される。エネルギハーベスティングの最適化手順は、継続的または定期的に繰り返される。この理由は、周囲の環境において利用可能である周波数の変化、または、アンテナの物理的な向きの変化に起因して、エネルギハーベスティングの状況がどの瞬間においても潜在的に変化し得るためである。
Switching to include and / or remove these antenna leg elements and impedance matching elements for different configurations achieves reception of different bandwidths and frequencies, as shown in Illustrative Graph 2100 of FIG. .. In FIG. 21, the solid line 2110 and the dashed line 2120 show the results of two exemplary configurations for different maximum energy harvesting situations. The configuration leading to the highest energy input level for a given energy harvesting situation is thus selected for the operation of the energy harvesting circuit or device to which it is powered, and the entire electronic device. The energy harvesting optimization procedure is repeated continuously or regularly. The reason for this is that the energy harvesting situation can potentially change at any given time due to changes in the frequencies available in the surrounding environment or changes in the physical orientation of the antenna. ..

エネルギハーベスティングの最適化手順は、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスが使用されることになる環境が、通常は未知であり、潜在的に変化し得ることから、有用である。このため、利用可能なEM放射の周波数は未知である。任意の適切なEM周波数におけるEM放射は、環境内に存在する場合がある。同じ環境において一般的に使用される2つの周波数が、915MHzと2.45GHzとであるが、多くの他の周波数信号も存在する場合がある。しかし、どの周波数が、もっとも高い振幅または電力レベルの信号を有することになるか、そしてひいては、エネルギハーベスティングの最適な候補になるかは、前もって知られていない。最初の時点では、たとえば、第1の周波数における第1の信号が、非常に高い振幅または電力レベルで存在する場合があるが、第2の周波数における第2の信号が、かなり低い振幅または電力レベルを有する場合があり、それにより、第1の信号のみが、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスに有用であるようになっている。しかし、第2の時点では、第2の信号が、より高い振幅または電力レベルで存在する場合があり、一方、第1の信号は、より低い振幅または電力レベルを有し、それにより、第2の信号のみが、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスに有用であるようになっている。さらに別の時点では、両方の信号が、有用な振幅または電力レベルを有して存在する場合がある。換言すると、異なる時点においては、1つまたは複数の周波数における1つまたは複数の信号の様々な組合せが、有用な振幅または電力レベルで環境内に存在する場合がある。 Energy harvesting optimization procedures are useful because the environment in which the energy harvesting circuit or device will be used is usually unknown and potentially variable. Therefore, the frequency of EM radiation that can be used is unknown. EM radiation at any suitable EM frequency may be present in the environment. The two frequencies commonly used in the same environment are 915 MHz and 2.45 GHz, but many other frequency signals may also be present. However, it is not known in advance which frequency will have the signal with the highest amplitude or power level, and thus the best candidate for energy harvesting. At the beginning, for example, the first signal at the first frequency may be present at a very high amplitude or power level, while the second signal at the second frequency is at a much lower amplitude or power level. May have, so that only the first signal is useful for energy harvesting circuits or devices. However, at the second time point, the second signal may be present at a higher amplitude or power level, while the first signal has a lower amplitude or power level, thereby the second. Only the signal of is useful for energy harvesting circuits or devices. At yet another point in time, both signals may be present with useful amplitudes or power levels. In other words, at different times, various combinations of one or more signals at one or more frequencies may be present in the environment at useful amplitudes or power levels.

有用な信号の周波数が未知であるという事実の結果として、任意の所与の環境内、または、任意の所与の時点における、最大のエネルギハーベスティング能力に必要とされる適切なアンテナ構成も、同様に未知となる。この理由は、各アンテナが、通常は、特定の周波数または周波数帯のみ、信号を受信するようにチューニングされているためである。同様に、アンテナに電気的に接続された関連する回路の(インピーダンスマッチングのために必要とされる)適切なインピーダンスも未知である。したがって、エネルギハーベスティングの最適化手順により、エネルギハーベスティングの回路もしくデバイス、及び/または、電子デバイス全体の関連する電子回路が、様々な組合せまたは構成で、様々なアンテナ要素及びインピーダンスマッチング要素に入れる、及び外すように切り替わることが可能になり、それにより、環境内の有用な信号の周波数のすべて(または、ほぼすべて、ほとんど、または顕著な部分)の最適な受信のために、アンテナ全体をチューニングする。それにより、有用なエネルギのハーベスティング(または、このエネルギからの電力の生成)が、任意の所与の状況または環境に関して最大化されるか最適化されるようになっている。 As a result of the fact that the frequency of the useful signal is unknown, the proper antenna configuration required for maximum energy harvesting capability within any given environment or at any given time point also Similarly, it becomes unknown. The reason for this is that each antenna is usually tuned to receive a signal only at a particular frequency or frequency band. Similarly, the proper impedance (required for impedance matching) of the associated circuit electrically connected to the antenna is also unknown. Therefore, the energy harvesting optimization procedure allows the energy harvesting circuit or device, and / or the associated electronic circuit of the entire electronic device, to be in different combinations or configurations to different antenna and impedance matching elements. It is possible to switch between on and off, which allows the entire antenna to be optimally received for all (or almost all, most, or prominent parts) of the frequencies of useful signals in the environment. Tune. Thereby, the harvesting of useful energy (or the generation of power from this energy) is maximized or optimized for any given situation or environment.

エネルギの最適化は、ICデバイスを組み込んだ実施形態に関して特に良好に適している。この実施形態では、エネルギハーベスティングの回路またはデバイスのための電子機器が、同じICダイ内、及び、同じプラットフォームパッケージング内で、様々な論理デバイス(たとえば、ある程度の処理ができるマイクロプロセッサまたはASICデバイス)とともに組み込まれている。エネルギハーベスティングの回路またはデバイスのための電子機器には、概して、限定ではないが、他のものの中でも、インピーダンスマッチング回路、整流回路、調整回路、及び電荷調整回路(たとえば、コンデンサまたはバッテリなど、貯蔵デバイスのためのもの)が含まれる。様々な論理デバイスのための電子機器には、概して、限定ではないが、他のものの中で、知的機能を実施するために、中央処理ユニット(CPU)、コプロセッサ、ASIC、縮小命令セットコンピューティング(RIS
C)プロセッサ、アドバンスドRISCマシン(TM)(ARM)プロセッサ、及び、より低いレベルの論理が含まれる。様々な論理デバイスのための電子機器は、概して、たとえば、ブルートゥース低エネルギ(BLE:Bluetooth Low Energy)の規格、近距離無線通信(NFC)のプロトコル、ZIGBEE(登録商標)の条項、WiFiの規格、WIMAXの規格などに係るものなどの、通信構成要素をも含むことができる。
Energy optimization is particularly well suited for embodiments incorporating IC devices. In this embodiment, the electronic device for the energy harvesting circuit or device is in the same IC die and in the same platform packaging, with various logical devices (eg, microprocessors or ASIC devices capable of some processing). ) Is incorporated. Electronic devices for energy harvesting circuits or devices generally include, but are not limited to, impedance matching circuits, rectifier circuits, conditioning circuits, and charge conditioning circuits (eg, capacitors or batteries, etc.). (For devices) is included. Electronic devices for various logical devices are generally, but not limited to, central processing units (CPUs), coprocessors, application specific integrated circuits, and reduced instruction set computing to perform intellectual functions, among others. Ing (RIS)
C) Processors, Advanced RISC Machine (TM) (ARM) processors, and lower level logic. Electronic devices for various logic devices generally include, for example, Bluetooth Low Energy (BLE) standards, Near Field Communication (NFC) protocols, ZIGBEE® clauses, WiFi standards, etc. It can also include communication components such as those related to WIMAX standards and the like.

開示の発明の実施形態を詳細に参照され、その1つまたは複数の実施例が、添付図面に示されている。各実施例は、本技術の限定としてではなく、本技術の説明のために提供されている。実際、本明細書が、本発明の特定の実施形態に関して詳細に記載されているが、前述の記載を理解すると、当業者が、これら実施形態に対する変更、変形、及び均等を容易に考案し得ることを理解されたい。たとえば、1つの実施形態の一部として図示されるか記載された特徴は、さらに追加の実施形態を得るために、別の実施形態とともに使用される場合がある。このため、本発明の主題が、添付の特許請求の範囲、及びその均等の範囲内にある、そのような変更及び変形のすべてをカバーすることが意図されている。本発明に対する、これら及び他の変更及び変形は、添付の特許請求の範囲により明確に説明されている、本発明の範囲を逸脱することなく、当業者によって実施され得る。さらに、当業者には、前述の記載が、もっぱら例示的ものであり、本発明を限定することは意図していないことを理解されたい。 The embodiments of the disclosed invention are referred to in detail, one or more embodiments thereof are shown in the accompanying drawings. Each embodiment is provided for illustration purposes, not as a limitation of the art. In fact, although this specification is described in detail with respect to specific embodiments of the invention, one of ordinary skill in the art can readily devise changes, modifications, and equalities to these embodiments, provided that the aforementioned description is understood. Please understand that. For example, the features illustrated or described as part of one embodiment may be used in conjunction with another embodiment to obtain further embodiments. For this reason, the subject matter of the present invention is intended to cover all such modifications and variations within the scope of the appended claims and their equality. These and other modifications and variations to the invention may be made by one of ordinary skill in the art without departing from the scope of the invention, which is expressly described by the appended claims. Further, it should be appreciated by those skilled in the art that the above description is merely exemplary and is not intended to limit the invention.

Claims (20)

基板と、
前記基板上のアンテナであって、前記アンテナが、複数のレッグ要素を備え、前記複数のレッグ要素が、導電インクを含むとともに、連続した経路を形成する、前記アンテナと、を備え、
前記複数のレッグ要素の少なくとも1つが、前記アンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか除外可能であり、選択されたレッグ要素が、前記共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する、アンテナシステム。
With the board
An antenna on the substrate comprising the antenna, wherein the antenna comprises a plurality of leg elements, the plurality of leg elements comprising conductive ink and forming a continuous path.
At least one of the plurality of leg elements can be individually selected or excluded so as to change the resonance frequency of the antenna, and the selected leg element has an antenna path length corresponding to the resonance frequency. An antenna system to form.
前記共振周波数が、前記複数のレッグ要素における、除外されたレッグ要素がアクティブではないことに起因して、前記アンテナ経路長を低減することによって変更される、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, wherein the resonant frequency is altered by reducing the antenna path length due to the excluded leg elements being inactive in the plurality of leg elements. 前記複数のレッグ要素の第1のレッグ要素が、受信された周波数に依存する第1の共振周波数の閾値を有し、
前記第1のレッグ要素が、前記受信された周波数が前記第1の周波数の閾値より大である場合にアクティブではないことにより、前記アンテナ経路長から受動的に除外される、請求項1に記載のシステム。
The first leg element of the plurality of leg elements has a threshold of the first resonant frequency depending on the received frequency.
The first aspect of claim 1, wherein the first leg element is passively excluded from the antenna path length by being inactive when the received frequency is greater than the threshold of the first frequency. System.
前記複数のレッグ要素の第2のレッグ要素が、前記受信された周波数に依存する第2の共振周波数の閾値を有しており、前記第2の共振周波数の閾値が、前記第1の共振周波数の閾値より大であり、
前記第2のレッグ要素が、前記受信された周波数が前記第2の共振周波数の閾値未満である場合に、共振によって受動的に選択される、請求項3に記載のシステム。
The second leg element of the plurality of leg elements has a threshold value of the second resonance frequency depending on the received frequency, and the threshold value of the second resonance frequency is the first resonance frequency. Is greater than the threshold of
The system of claim 3, wherein the second leg element is passively selected by resonance when the received frequency is less than the threshold of the second resonance frequency.
前記第2のレッグ要素が、前記受信された周波数が前記第2の共振周波数の閾値より大である場合に、前記第1のレッグ要素に加えて受動的に除外され、前記アンテナ経路長を減少させる、請求項4に記載のシステム。 The second leg element is passively excluded in addition to the first leg element when the received frequency is greater than the threshold of the second resonant frequency, reducing the antenna path length. The system according to claim 4. 前記第1の共振周波数の閾値が、前記第1のレッグ要素の第1の電気的インピーダンスに基づいており、
前記第2の共振周波数の閾値が、前記第2のレッグ要素の第2の電気的インピーダンスに基づいており、
前記第2の電気的インピーダンスが、材料特性の差異に起因して、前記第1の電気的インピーダンスとは異なっており、
前記材料特性が、透磁率、誘電率、及び導電率からなるグループから選択される、請求項4に記載のシステム。
The threshold of the first resonant frequency is based on the first electrical impedance of the first leg element.
The threshold of the second resonant frequency is based on the second electrical impedance of the second leg element.
The second electrical impedance is different from the first electrical impedance due to the difference in material properties.
The system of claim 4, wherein the material properties are selected from the group consisting of magnetic permeability, dielectric constant, and conductivity.
前記複数のレッグ要素の2つのレッグ要素間のプリントされた誘電要素をさらに備えている、請求項1に記載のシステム。 The system of claim 1, further comprising a printed dielectric element between the two leg elements of the plurality of leg elements. 前記複数のレッグ要素の各々に対する接続部を有する電子回路をさらに備え、
前記電子回路が、前記複数のレッグ要素の内の第1のレッグ要素を第2のレッグ要素に対して短絡させることにより、前記複数のレッグ要素の内の前記第1のレッグ要素を動的に除外するように構成されている、請求項1に記載のシステム。
Further comprising an electronic circuit having a connection to each of the plurality of leg elements.
The electronic circuit dynamically shorts the first leg element of the plurality of leg elements with respect to the second leg element, thereby dynamically causing the first leg element of the plurality of leg elements. The system of claim 1, which is configured to be excluded.
前記電子回路が、
周囲の環境内の、複数の利用可能な周波数を識別し、前記複数の利用可能な周波数の電力レベルに基づき、前記共振周波数を設定する識別回路と、
前記複数のレッグ要素の内のレッグ要素を選択または除外することにより、前記共振周波数に対応するように、前記アンテナ経路長を調整するために、前記接続部と通信する切替回路と、を備えている、請求項8に記載のシステム。
The electronic circuit
An identification circuit that identifies a plurality of available frequencies in the surrounding environment and sets the resonance frequency based on the power level of the plurality of available frequencies.
A switching circuit that communicates with the connection portion in order to adjust the antenna path length so as to correspond to the resonance frequency by selecting or excluding the leg element from the plurality of leg elements is provided. The system according to claim 8.
前記基板が、第1の層と、前記第1の層上に積層された第2の層と、前記第1の層と前記第2の層との間の隙間内の中間層とを備えており、
前記複数のレッグ要素が、前記第1の層上にあり、前記複数のレッグ要素が前記アンテナの第1のアンテナアームを形成し、
前記アンテナが、
前記第2の層上の第2のアンテナアームと、
前記中間層上の導電体であって、前記導電体が、前記第2のアンテナアームを前記複数のレッグ要素に電気的に結合している、前記導電体と、
をさらに備えている、請求項1に記載のシステム。
The substrate comprises a first layer, a second layer laminated on the first layer, and an intermediate layer in the gap between the first layer and the second layer. Ori,
The plurality of leg elements are on the first layer, and the plurality of leg elements form a first antenna arm of the antenna.
The antenna
With the second antenna arm on the second layer,
A conductor on the intermediate layer, wherein the conductor electrically couples the second antenna arm to the plurality of leg elements.
The system according to claim 1, further comprising.
前記基板がボール紙であり、前記中間層が波状中間物である、請求項10に記載のシステム。 10. The system of claim 10, wherein the substrate is cardboard and the intermediate layer is a wavy intermediate. 前記第1の層と前記第2の層との間の前記隙間が、前記第1のアンテナアームと前記第2のアンテナアームとの間の誘電体としての役割を果たす、請求項10に記載のシステム。 10. The tenth aspect of the present invention, wherein the gap between the first layer and the second layer serves as a dielectric between the first antenna arm and the second antenna arm. system. 前記導電インクがカーボンベースであり、
前記基板が紙を備えている、請求項1に記載のシステム。
The conductive ink is carbon-based and
The system of claim 1, wherein the substrate comprises paper.
前記アンテナがエネルギハーベスタである、請求項1に記載のシステム。 The system according to claim 1, wherein the antenna is an energy harvester. A)基板と、
前記基板上のアンテナであって、前記アンテナが、複数のレッグ要素を備え、前記複数のレッグ要素が、カーボンベースの導電インクを含むとともに、連続した経路を形成している、前記アンテナと、を備え、
前記複数のレッグ要素の各々が、前記アンテナの共振周波数を変更するように、個別に選択可能であるか除外可能であり、選択されたレッグ要素が、前記共振周波数に対応するアンテナ経路長を形成する、アンテナシステムと、
B)前記複数のレッグ要素の各々に対する接続部を有する電子回路であって、
前記電子回路が、前記複数のレッグ要素の内の第1のレッグ要素を第2のレッグ要素に対して短絡させることにより、前記複数のレッグ要素の内の前記第1のレッグ要素を動的に除外するように構成されている、前記電子回路と、を備えた、エネルギハーベスティングシステム。
A) The board and
An antenna on the substrate, wherein the antenna comprises a plurality of leg elements, the plurality of leg elements containing carbon-based conductive ink and forming a continuous path. Prepare,
Each of the plurality of leg elements can be individually selected or excluded so as to change the resonance frequency of the antenna, and the selected leg elements form an antenna path length corresponding to the resonance frequency. With the antenna system,
B) An electronic circuit having a connection to each of the plurality of leg elements.
The electronic circuit dynamically shorts the first leg element of the plurality of leg elements with respect to the second leg element, thereby dynamically causing the first leg element of the plurality of leg elements. An energy harvesting system comprising said electronic circuits, which are configured to be excluded.
前記電子回路が、
周囲の環境内の、複数の利用可能な周波数を識別し、前記複数の利用可能な周波数の電力レベルに基づき、前記共振周波数を設定する識別回路と、
前記複数のレッグ要素の内のレッグ要素を選択または除外することにより、前記共振周波数に対応するように、前記アンテナ経路長を調整するために、前記接続部と通信している切替回路と、を備える、請求項15に記載のシステム。
The electronic circuit
An identification circuit that identifies a plurality of available frequencies in the surrounding environment and sets the resonance frequency based on the power level of the plurality of available frequencies.
A switching circuit communicating with the connection portion in order to adjust the antenna path length so as to correspond to the resonance frequency by selecting or excluding the leg element from the plurality of leg elements. The system according to claim 15.
前記識別回路が、前記共振周波数を、前記複数の利用可能な周波数の内の、もっとも高い電力レベルを有する周波数となるように設定する、マイクロプロセッサを備えている、請求項16に記載のシステム。 16. The system of claim 16, wherein the identification circuit comprises a microprocessor that sets the resonant frequency to be the frequency with the highest power level of the plurality of available frequencies. 前記基板が、第1の層と、前記第1の層上に積層された第2の層と、前記第1の層と前記第2の層との間の隙間内の中間層とを備えており、
前記複数のレッグ要素が、前記第1の層上にあり、前記複数のレッグ要素が前記アンテナの第1のアンテナアームを形成し、
前記アンテナが、
前記第2の層上の第2のアンテナアームと、
前記中間層上の導電体であって、前記導電体が、前記第2のアンテナアームを前記複数のレッグ要素に電気的に結合している、前記導電体と、
をさらに備えている、請求項15に記載のシステム。
The substrate comprises a first layer, a second layer laminated on the first layer, and an intermediate layer in the gap between the first layer and the second layer. Ori,
The plurality of leg elements are on the first layer, and the plurality of leg elements form a first antenna arm of the antenna.
The antenna
With the second antenna arm on the second layer,
A conductor on the intermediate layer, wherein the conductor electrically couples the second antenna arm to the plurality of leg elements.
15. The system of claim 15.
基板と、
前記基板上のアンテナであって、前記アンテナが、複数のレッグ要素を備え、前記複数のレッグ要素が、導電インクを含むとともに、連続した経路を形成している、前記アンテナと、を備え、
前記複数のレッグ要素の第1のレッグ要素が、受信された周波数と、前記第1のレッグ要素の第1の電気的インピーダンスとに依存する、第1の共振周波数の閾値を有しており、
前記第1の電気的インピーダンスが、透磁率、誘電率、及び導電率からなるグループから選択される材料特性に基づいており、
前記第1のレッグ要素が、アンテナ経路長を変更することにより、前記アンテナの共振周波数を変更するように、個別に除外可能であり、前記第1のレッグ要素が、前記受信された周波数が前記第1の周波数の閾値より大である場合にアクティブではないことにより、前記アンテナ経路長から受動的に除外される、アンテナシステム。
With the board
An antenna on the substrate, comprising said antenna, wherein the antenna comprises a plurality of leg elements, the plurality of leg elements comprising conductive ink and forming a continuous path.
The first leg element of the plurality of leg elements has a first resonance frequency threshold that depends on the received frequency and the first electrical impedance of the first leg element.
The first electrical impedance is based on material properties selected from the group consisting of magnetic permeability, dielectric constant, and conductivity.
The first leg element can be individually excluded so as to change the resonant frequency of the antenna by changing the antenna path length, with the first leg element having the received frequency being said. An antenna system that is passively excluded from the antenna path length by being inactive if it is greater than the threshold of the first frequency.
前記複数のレッグ要素の第2のレッグ要素が、前記受信された周波数と、前記第2のレッグ要素の第2の電気的インピーダンスに依存する第2の共振周波数の閾値を有しており、
前記第2の共振周波数の閾値が、前記第1のレッグ要素と比べた前記材料特性の差異に起因して、前記第1の共振周波数の閾値より高く、
前記第2のレッグ要素が、前記受信された周波数が前記第2の共振周波数の閾値未満である場合に、共振によって受動的に選択される、請求項19に記載のシステム。
The second leg element of the plurality of leg elements has a threshold of the received frequency and a second resonance frequency depending on the second electrical impedance of the second leg element.
The second resonance frequency threshold is higher than the first resonance frequency threshold due to the difference in material properties compared to the first leg element.
19. The system of claim 19, wherein the second leg element is passively selected by resonance when the received frequency is less than the threshold of the second resonance frequency.
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